坡地高層建筑非全埋式地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廖文彬

(廈門中福元建筑設(shè)計(jì)研究院 福建廈門 361009)

引 言

隨著城市用地緊張，在坡地上建設(shè)高層越來越多，充分利用場(chǎng)地自然地貌，避免場(chǎng)地大挖大填對(duì)自然地貌的破壞和造成新的地質(zhì)災(zāi)害，這種綠色建筑理念已成共識(shí)，因此，在坡地上高層建筑地下室順著坡地地形形成一側(cè)全埋逐漸過渡到另一側(cè)敞開的工程越來越多(圖1)，這種非全埋式地下室雖然減少了場(chǎng)地開挖，節(jié)省造價(jià)，也便于使用，但該類型地下室存在部分敞開面，地下室四周場(chǎng)地對(duì)地下室嵌固約束明顯不均衡，帶來抗震、抗土壓力等方面的不利因素，因此《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[1]第6.1.14條的條文說明:在山(坡)地建筑中出現(xiàn)地下室各邊填埋深度差異較大時(shí)，宜單獨(dú)設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)。

圖1 非全埋式地下室

汶川大地震及其它地震震害表明，坡地建筑利用地形高差設(shè)計(jì)的吊腳結(jié)構(gòu)或掉層結(jié)構(gòu)震害嚴(yán)重，主要是由于底部嵌固端高低不一致，形成結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心明顯偏置，豎向剛度不規(guī)則，在地震作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重，造成底部架空層等薄弱部位破壞嚴(yán)重[2](圖2)。

對(duì)不單獨(dú)設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)的非全埋式地下室結(jié)構(gòu)由于周邊室外地面標(biāo)高變化大，地下室各邊埋置深度差異大，地下室四周存在部分敞開面形成地下室鋼筋混凝土外墻不封閉，與常規(guī)的全埋式地下室相比，存在明顯差異:地下室部分外露、地下室外墻及土體約束明顯不均衡，這些差異導(dǎo)致地下室剛度產(chǎn)生偏心，同時(shí)由于地下室外露部位水平力傳遞類似上部框剪結(jié)構(gòu)的受力傳遞模型，使得地下室介于全地下室與局部地下室(外露部位類似上部框剪結(jié)構(gòu))之間，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上對(duì)結(jié)構(gòu)嵌固端位置確定、基礎(chǔ)埋置深度計(jì)算、確定房屋適用高度時(shí)的房屋高度計(jì)算、當(dāng)?shù)叵率疑喜坑卸鄺澑邔訒r(shí)是否屬于多塔等判斷上存在不同看法，本文從力學(xué)及抗震概念分析出發(fā)，對(duì)非全埋式地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出建議。

圖2 汶川地震吊腳樓震害嚴(yán)重

1 非全埋式地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題探討

1.1 結(jié)構(gòu)剛心偏置

非全埋式地下室結(jié)構(gòu)一般坡度較高側(cè)擋土需要為鋼筋混凝土外墻，外墻外側(cè)填土隨地面坡度變化，路面低的一側(cè)常常為敞開，形成地下室結(jié)構(gòu)剛心偏向有設(shè)鋼筋混凝土地下室外墻側(cè)，再加上四周場(chǎng)地對(duì)地下室嵌固約束也是偏向坡度較高側(cè)約束剛度大，這就形成地下室結(jié)構(gòu)剛心的明顯偏置，在風(fēng)和地震的水平力作用下會(huì)造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致地下室結(jié)構(gòu)及上部結(jié)構(gòu)破壞。

為解決結(jié)構(gòu)剛心偏置，非全埋式地下室結(jié)構(gòu)一般要求地下室周邊四側(cè)都設(shè)置鋼筋混凝土外墻，形成相對(duì)閉合的鋼筋混凝土地下室(圖3)，由于地下室外墻較長(zhǎng)，形成的剛度相當(dāng)大，類似盒子的鋼筋混凝土地下室抗扭剛度也就相當(dāng)大，即使仍然存在四周場(chǎng)地對(duì)地下室嵌固約束的明顯不均衡，但產(chǎn)生的側(cè)向位移小、扭轉(zhuǎn)位移角小，不會(huì)造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞。考慮地下室外墻長(zhǎng)度較長(zhǎng)，形成的剛度大，當(dāng)?shù)叵率业吞幊ㄩ_側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土外墻影響使用時(shí)，可以允許在建筑需要的通道、門窗等位置不設(shè)鋼筋混凝土墻，也可以允許適當(dāng)后退在內(nèi)側(cè)設(shè)置，只要保證形成有足夠剛度的相對(duì)閉合的鋼筋混凝土地下室即可。

圖3 形成相對(duì)閉合的鋼筋混凝土地下室

1.2 結(jié)構(gòu)嵌固端位置

嵌固部位是指能限制結(jié)構(gòu)上部構(gòu)件在兩個(gè)水平方向的平動(dòng)位移和繞豎軸的轉(zhuǎn)動(dòng)位移，并能傳遞上部結(jié)構(gòu)的水平力，滿足該要求的只有地下室部位。由地下室自身剛度、周邊土體約束作用(大約地下室結(jié)構(gòu)自身剛度的3～5倍)組成的地下室剛度，一般數(shù)倍于上部結(jié)構(gòu)剛度，起到了限制上部結(jié)構(gòu)位移的嵌固作用。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[1]和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3]對(duì)地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的地下室自身剛度側(cè)向剛度比和樓板剛度強(qiáng)度提出了明確要求。

對(duì)部分露出地面的非全埋式地下室，在外露側(cè)由于沒有土體約束，而土體約束作用(約地下室結(jié)構(gòu)自身剛度的3～5倍)是限制上部結(jié)構(gòu)位移和承受上部結(jié)構(gòu)水平力的必備條件，因此非全埋式地下室頂板不能作為嵌固部位，需下移至四周有土體約束的地下室樓板位置才能作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位(圖4)。

圖4 非全埋式地下室嵌固端

上部水平力在地下室范圍的傳力路徑為:水平力一部分通過地下室頂板傳遞給地下室外墻，通過外墻傳遞給周邊土體，另一部分通過地下室墻、柱、支撐等豎向構(gòu)件直接往下傳遞，傳遞給基礎(chǔ)和基礎(chǔ)周邊土體。當(dāng)?shù)叵率逸^大時(shí)，往下傳遞水平力的地下室墻、柱、支撐等豎向構(gòu)件范圍主要為地上結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[1]明確了地上結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍:指從地上結(jié)構(gòu)(主樓、有裙房時(shí)含裙房)周邊外延不大于20 m，顯然，在地上結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍內(nèi)的地下室采取加設(shè)鋼筋混凝土墻等增加剛度措施(圖5)，可以提高地下室豎向構(gòu)件承擔(dān)水平力比例，減少地下室頂板承擔(dān)水平力比例，這對(duì)部分露出地面的非全埋式地下室，能夠讓更多水平力從豎向構(gòu)件直接往下傳遞給基礎(chǔ)和基礎(chǔ)周邊土體，減少上部水平力通過部分臨空地下室頂板的傳遞，可以使水平力傳力路徑上更直接，減少水平力下非全埋式地下室剛心偏置導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)不利影響。

圖5 臨近臨空面的加強(qiáng)措施

非全埋式地下室雖然地下室頂板不能作為嵌固端，但考慮地下室剛度大，上部結(jié)構(gòu)與地下室豎向剛度突變，地下室頂板為豎向剛度突變位置，具有實(shí)際存在的嵌固作用，因此仍應(yīng)對(duì)地下室頂板采取接近嵌固端層的加強(qiáng)措施，并對(duì)地上一層豎向構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)按地下室頂板作為嵌固端進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

1.3 基礎(chǔ)埋置深度計(jì)算

基礎(chǔ)埋置深度一般是指基礎(chǔ)底面到室外設(shè)計(jì)地面的距離，其含義為能提供側(cè)向約束并傳遞上部水平力給土體的位置才能作為起算面，因此非全埋式地下室應(yīng)以室外地面低處作為基礎(chǔ)埋置深度起算面，并宜符合下列要求:天然地基基礎(chǔ)，可取房屋高度的1/15;樁基礎(chǔ)可取房屋高度的1/18(樁長(zhǎng)不計(jì)在內(nèi))。

當(dāng)基礎(chǔ)埋置深度不滿足時(shí)，應(yīng)進(jìn)行對(duì)高層建筑在小、中、大震工況的地震作用和水平風(fēng)荷載作用下的整體傾覆分析、基礎(chǔ)底面的零應(yīng)力區(qū)分析及控制、基礎(chǔ)抗滑移驗(yàn)算、樁的豎向和水平承載力分析[4]。

整體傾覆分析中，不能僅驗(yàn)算抗傾覆力矩大于傾覆力矩(該條件很容易滿足)，應(yīng)同時(shí)驗(yàn)算當(dāng)基礎(chǔ)出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)后基礎(chǔ)剩下的受壓區(qū)下地基承載力能否滿足(若地基承載力不能滿足，地基破壞會(huì)造成建筑傾斜、傾覆破壞)，以及基礎(chǔ)出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)后上部剩下的受壓豎向構(gòu)件強(qiáng)度承載力能否滿足。(圖6)中傾覆點(diǎn)位置的墻柱及下面地基(即使是基巖)面積小，無法承受上部全部重量，該點(diǎn)支承的工況是不可能出現(xiàn)，也與計(jì)算時(shí)底部嵌固簡(jiǎn)圖不符，因此，按大震計(jì)算的柱底出現(xiàn)拉力的豎向構(gòu)件應(yīng)布置抗拔錨桿或抗拔樁。

基礎(chǔ)抗滑移驗(yàn)算，對(duì)天然地基為各工況下水平力應(yīng)小于基礎(chǔ)底水平摩擦力(基礎(chǔ)底水平摩擦力=基礎(chǔ)豎向力x基底摩擦系數(shù))，對(duì)樁基為各工況下水平力應(yīng)小于樁基水平承載力。

圖6 傾覆驗(yàn)算示意圖

1.4 確定房屋適用高度時(shí)的房屋高度計(jì)算

非全埋式地下室結(jié)構(gòu)由于地下室四周場(chǎng)地對(duì)地下室嵌固約束明顯不均衡，形成剛心偏置，容易地震作用下造成建筑物扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致地下室及上部結(jié)構(gòu)的地震破壞，因此在抗震設(shè)計(jì)措施上應(yīng)從嚴(yán)控制。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[1]指出:用于確定房屋適用的最大房屋高度是指建筑室外地面至主要屋面的高度。非全埋式地下室結(jié)構(gòu)的周邊室外地面標(biāo)高變化大，確定適用的最大房屋高度計(jì)算起點(diǎn)位置不能采用建筑±0.00標(biāo)高位置或室外地面平均標(biāo)高位置作為起算點(diǎn)，應(yīng)取建筑周邊室外地面最低點(diǎn)位置。同理，確定房屋抗震等級(jí)的房屋高度計(jì)算起點(diǎn)位置，也應(yīng)取建筑周邊室外地面最低點(diǎn)位置。

1.5 當(dāng)?shù)叵率疑喜坑卸鄺澑邔訒r(shí)是否屬于多塔

當(dāng)具有部分露出地面的非全埋式地下室上面有多棟高層，由于地下室存在沒有土體約束的臨空面，地下室頂板不能作為嵌固端，嵌固端位置需下移。但由于地下室考慮周邊土體約束作用(通常取剛度放大系數(shù)3～5倍，以考慮回填土對(duì)結(jié)構(gòu)的約束作用)以及地上結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍(周邊外延不大于20m)以外的地下室鋼筋混凝土墻柱剛度，則地下室整體剛度相對(duì)上部高層而言大好多倍，因此對(duì)地下室上部多棟高層，類似于地下室剛性體上的多塔，高層之間互相影響小[5](圖7)，在計(jì)算上可以按嵌固端在－1層的單棟高層計(jì)算，而不必按考慮相互影響的多塔整體計(jì)算。

1.6 其它問題

(1)室外地面高差產(chǎn)生的不平衡土壓力，一般在地下室外墻內(nèi)側(cè)設(shè)置垂直于地下室外墻的鋼筋混凝土擋墻，直接承受土壓力，這樣傳力直接;當(dāng)?shù)叵率彝鈮?nèi)側(cè)設(shè)置擋墻影響使用功能時(shí)，也可以由地下室墻柱承擔(dān)，最后傳遞給基礎(chǔ)，此時(shí)設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)計(jì)入室外地面高差產(chǎn)生的不平衡力水平力，并對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行樁基水平承載力驗(yàn)算。

圖7 大底盤多塔相互影響示意圖

(2)坡地建筑可以利用場(chǎng)地高差進(jìn)行排水疏導(dǎo)設(shè)計(jì)，降低抗浮設(shè)計(jì)水位，能夠明顯節(jié)約材料和造價(jià)，是一種很好的綠色技術(shù)設(shè)計(jì)。

2 結(jié)語

坡地高層建筑，對(duì)不單獨(dú)設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)的非全埋式地下室結(jié)構(gòu)，四周土體約束不均衡，與常規(guī)的全埋式地下室受力上差異較大，設(shè)計(jì)中建議采取如下措施:

(1)由于地下室局部外露，地下室外墻及土體約束明顯不均衡，導(dǎo)致地下室剛度產(chǎn)生偏心，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)采取臨空側(cè)加設(shè)鋼筋混凝土外墻，形成相對(duì)閉合的鋼筋混凝土地下室，提高地下室剛度，提高抗扭剛度，減少剛度偏心。

(2)結(jié)構(gòu)嵌固端位置應(yīng)取四周有土體約束的地下室樓板位置作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，考慮豎向剛度突變及地下室頂板具有實(shí)際存在的嵌固作用，應(yīng)對(duì)地下室頂板采取加強(qiáng)措施，并對(duì)地上一層豎向構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)按地下室樓板及地下室頂板分別作為嵌固端進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

(3)基礎(chǔ)埋置深度計(jì)算以室外地面低處作為基礎(chǔ)埋置深度起算面，當(dāng)基礎(chǔ)埋置深度不滿足時(shí)，應(yīng)進(jìn)行對(duì)高層建筑在小、中、大震工況的地震作用和水平風(fēng)荷載作用下的整體傾覆分析、基礎(chǔ)底面的零應(yīng)力區(qū)分析及控制、基礎(chǔ)抗滑移驗(yàn)算、樁的豎向和水平承載力分析。

(4)應(yīng)取建筑周邊室外地面最低點(diǎn)作為確定房屋適用的最大房屋高度和房屋抗震等級(jí)的房屋高度計(jì)算起點(diǎn)位置。

(5)當(dāng)?shù)叵率疑喜坑卸鄺澑邔訒r(shí)，考慮地下室整體剛度相對(duì)上部高層而言大好多倍，多塔之間互相影響較小，可不必按多塔整體計(jì)算。

[1]GB 50010－2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]王麗萍，李英民，鄭妮娜，等5.12汶川地震典型山地建筑結(jié)構(gòu)房屋震害調(diào)查[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，41(6):822－826.

[3]JGJ3－2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[4]劉俊，許晉平，等.高層結(jié)構(gòu)塔樓嵌固端問題研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013，43(5)S1:1306－1308.

[5]周華蓉，高層建筑基礎(chǔ)埋置深度不足時(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].福建建設(shè)科技，2014(4):49－52.

[6]方鄂華，大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1995，16(6):3－10.