高層建筑地下室工程的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

易文新

摘要：高層建筑上部荷載大，基礎(chǔ)埋置深度也較深，地下室的設(shè)計(jì)合理與否直接影響建筑物的正常使用與造價(jià)。本文從地下室工程的結(jié)構(gòu)模型人手，針對(duì)其特點(diǎn)的多樣性和復(fù)雜性，主要從基礎(chǔ)埋置深度、上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位、回填土的約束作用及地下室的荷載四個(gè)方面展開(kāi)論述，并就設(shè)計(jì)過(guò)程中地下室的抗震等級(jí)、外墻、剪力墻、框架柱、頂板、回填土及抗裂措施等問(wèn)題作了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：埋置深度；嵌固部位；回填土；側(cè)向剛度

中圖分類(lèi)號(hào)：TU91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-0422（2013）07-0174-02

1.前言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑越來(lái)越多。為了增加有效使用面積，將停車(chē)庫(kù)轉(zhuǎn)入地下，所以這些建筑通常都帶有地下室。這不僅有利于地面道路的設(shè)置，同時(shí)也滿足了平戰(zhàn)結(jié)合的要求。對(duì)于這類(lèi)工程，如何把握地下室的受力情況，進(jìn)行合理的計(jì)算分析是擺在廣大工程技術(shù)人員面前的重要問(wèn)題。本文就地下室工程的結(jié)構(gòu)模型特點(diǎn)和設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的幾個(gè)問(wèn)題作簡(jiǎn)要的論述。

2.地下室工程的結(jié)構(gòu)模型特點(diǎn)

帶有地下室的高層建筑是一個(gè)由上部結(jié)構(gòu)與地下室共同組成的完整的受力體系，相互協(xié)調(diào)變形。地下室與上部建筑并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，在建模方法和計(jì)算分析方面也基本相同。在設(shè)計(jì)單位廣泛應(yīng)用的SATWE軟件完全可以將地下室和上部結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體進(jìn)行計(jì)算分析。當(dāng)然，地下室與上部結(jié)構(gòu)的受力及分析方面也有許多不同之處，需要在設(shè)計(jì)中加以特殊考慮。

2.1地下室的埋置深度

高層建筑設(shè)置地下室對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的益處很多。①可以利用的側(cè)壓力減少結(jié)構(gòu)的滑移和傾覆，有利于上部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性；②可以減小土的重量，減少地基的附加壓力和沉降；③由于基礎(chǔ)具有一定的埋置深度，還可以減小地震作用對(duì)上部建筑的影響。唐山地震震害就表明有地下室的建筑物破壞明顯較小。

地下室在具有足夠的剛度、承載力和整體性的條件下，可作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的一部分。高層建筑基礎(chǔ)的埋置深度應(yīng)滿足地基承載力、變形和穩(wěn)定性的要求。位于巖石地基上的高層建筑，其埋深應(yīng)滿足抗滑的要求。

建議同一結(jié)構(gòu)單元應(yīng)全部設(shè)置地下室，并應(yīng)當(dāng)有相同的埋深?；A(chǔ)的埋置深度為建筑物室外地面至基礎(chǔ)底面的距離，可按以下要求進(jìn)行估算：

2.1.1一般天然地基，不宜小于建筑物的高度的1/15；

2.1.2巖石地基可不考慮埋深的要求，但應(yīng)驗(yàn)算傾覆和滑移；

2.1.3樁基礎(chǔ)不宜小于建筑物高度的1/18。在城市居住密集的地方往往新舊建筑物緊靠在一起。為保證施工期間相鄰原有建筑物的穩(wěn)定，通常新建高層的埋深不宜大于原有建筑的基礎(chǔ)。當(dāng)新基礎(chǔ)埋深大于原有建筑基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑荷載大小、基礎(chǔ)形式和土質(zhì)情況使基礎(chǔ)間保持一定的距離。

2.2上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位

在進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，首先要確定其嵌固部位，嵌固部位又直接影響到基礎(chǔ)的彎矩，所以它對(duì)于結(jié)構(gòu)分析和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)都是非常重要的，并直接關(guān)聯(lián)建筑物的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

2.2.1嵌固部位的概念引入

由于地下室側(cè)墻外的回填土的存在，使得地下室的力學(xué)特點(diǎn)和上部結(jié)構(gòu)有所不同?；靥钔良s束了地下室的水平位移，使得建筑物在地下室頂部產(chǎn)生剛度突變。在地震作用下，塑性鉸的位置有可能發(fā)生轉(zhuǎn)移。確定嵌固部位可以通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和承載力的調(diào)整，使得塑性鉸在預(yù)定的位置出現(xiàn)，從而在地震作用下，保證上部結(jié)構(gòu)的某些關(guān)鍵部位能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的先于其他部位的屈服即進(jìn)入非彈性階段，產(chǎn)生預(yù)期的耗能機(jī)制。

2.2.2嵌固部位的含義

結(jié)構(gòu)的嵌固部位是計(jì)算模型中的一個(gè)重要假設(shè)，它是指結(jié)構(gòu)預(yù)期塑性鉸出現(xiàn)的位置。嵌固部位的正確設(shè)定直接關(guān)系到計(jì)算模型與實(shí)際受力狀態(tài)的符合程度，構(gòu)件內(nèi)力與側(cè)移等計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。嵌固部位應(yīng)能限制構(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)的地震剪力。

2.2.3嵌固部位的確定原則

嵌固部位結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載力是塑性鉸出現(xiàn)的必要條件。地下室嵌固部位應(yīng)能承受上部結(jié)構(gòu)屈服超強(qiáng)引起的內(nèi)力及地下室本身的地震作用。因此，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》都規(guī)定：當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí)，地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的2倍。地下室不能滿足嵌固部位的樓層側(cè)向剛度比規(guī)定時(shí)，可以增加地下室樓層的側(cè)向剛度，或者將主體結(jié)構(gòu)的嵌固部位下移至符合要求的部位，如基礎(chǔ)頂面等。當(dāng)?shù)叵率也簧儆趦蓪訒r(shí)，地下室頂部可作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位。

2.3回填土的約束作用

由于地下室一般都存在外墻其側(cè)向剛度大于上部結(jié)構(gòu)。同時(shí)，地下室與室外土層接觸面積大，在地震作用下，阻尼增大導(dǎo)致振動(dòng)衰減，降低了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)。此外，地震作用迫使與地下室接觸的回填土發(fā)生相應(yīng)的變形，導(dǎo)致土對(duì)地下室外墻及底板產(chǎn)生抗力，約束了地下室的變形從而提高了地下室的剛度。在選擇了合理的嵌固部位以后，如何分析回填土的約束作用成為地下室結(jié)構(gòu)模型合理性的關(guān)鍵。在規(guī)范關(guān)于剛性地基的假定下，目前通常采用以下兩種分析方法：

2.3.1嵌固水平位移法

將上部結(jié)構(gòu)與地下室作為一個(gè)整體考慮，嵌固部位取在基礎(chǔ)底板處，并根據(jù)地下室結(jié)構(gòu)與相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度比的大小，確定合適位置限定其水平位移為零。樓層側(cè)向剛度的計(jì)算方法有三種，分別是剪切剛度、剪彎剛度和樓層剪力與層問(wèn)位移的比值。三種方法含義不同，計(jì)算結(jié)果差別也較大。當(dāng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，地下室側(cè)向剛度比可用剪切剛度比估計(jì)。施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，取樓層剪力與層問(wèn)位移的比值計(jì)算。

2.3.2彈簧剛度法

將上部結(jié)構(gòu)與地下室作為一個(gè)整體考慮，嵌固部位取在基礎(chǔ)底板處，并在每層地下室的樓板處引入水平彈簧剛度，其值的大小反映回填土對(duì)地下室約束作用的強(qiáng)弱。SATWE軟件設(shè)有參數(shù)“回填土對(duì)地下室作用的相對(duì)剛度比”，其含義就是回填土的約束剛度與地下室本身抗側(cè)移剛度的比值，若取值為0，表示不考慮回填土的約束作用；若取值在1-5之間，表示回填土具有一定的約束作用，取值越大約束作用越強(qiáng)；若取值為負(fù)數(shù)米，表示地下室有嵌固部位，其下部的米層無(wú)水平位移。

3.地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

3.1地下室的抗震設(shè)計(jì)

一般來(lái)講地下室抗震設(shè)計(jì)中較為常見(jiàn)的問(wèn)題為：多層建筑中半地下室埋深不夠，房屋層數(shù)包括半地下室層已達(dá)8層，層數(shù)和總高度超過(guò)要求，違反GB50011-2010第7.1.2條。若地下室設(shè)計(jì)不當(dāng)，對(duì)其整體的抗震性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)施工圖審查要點(diǎn)，一般來(lái)講，對(duì)于半地下室的埋深要求應(yīng)大于地下室地面以上的高度，才能不計(jì)算其層數(shù)，總高度才能從室外地面算起。地下室的墻柱與上部結(jié)構(gòu)的墻柱應(yīng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一。對(duì)地下室頂板室內(nèi)外板面標(biāo)高變化處，當(dāng)標(biāo)高變化超過(guò)梁高范圍時(shí)則形成錯(cuò)層，應(yīng)采取一定的措施進(jìn)行處理，否則不應(yīng)作為上部結(jié)構(gòu)的部位

3.2地下室的外墻

3.2.1荷載組合

地下室外墻所承受的荷載分為：①水平荷載：地下室在地面以下不受風(fēng)荷載的影響。由地下室質(zhì)量產(chǎn)生的地震作用主要被室外回填土吸收，只有小部分由地下室構(gòu)件承擔(dān)。因此，在按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行地震剪力調(diào)整時(shí)，地下室部分的最小地震剪力系數(shù)不滿足要求時(shí)可以不調(diào)整；②豎向荷載：地下室與上部結(jié)構(gòu)采用整體分析方法，不僅可以正確完成全樓的豎向?qū)Ш杉皟?nèi)力計(jì)算，同時(shí)可以考慮地下室的變形對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，豎向荷載及風(fēng)荷載或地震作用產(chǎn)生的內(nèi)力一般不起控制作用，墻體配筋主要由垂直墻面的水平荷載產(chǎn)生的彎矩確定，而且通常不考慮與豎向荷載組合的壓彎作用，僅按墻板彎曲計(jì)算彎曲的配筋。

3.2.2內(nèi)力計(jì)算

地下室外墻可根據(jù)支承情況計(jì)算水平荷載作用下的彎矩。由于地下室內(nèi)墻間距不等，可把樓板和基礎(chǔ)底板作為外墻的支點(diǎn)按單向板計(jì)算，基礎(chǔ)底板為固端，頂板為鉸支座。也可按考慮塑性內(nèi)力變形重分布的方法計(jì)算彎矩，可以節(jié)省鋼筋用量。外墻的受拉區(qū)混凝土可能出現(xiàn)彎曲裂縫，但由于裂縫較細(xì)微不會(huì)貫通整個(gè)截面，外墻仍具有足夠的抗?jié)B能力。

3.2.3構(gòu)造措施

地下室外墻外側(cè)豎向鋼筋在基礎(chǔ)底板彎折后水平段長(zhǎng)度按搭接與底板下部鋼筋相連，而底板上下鋼筋可伸至外墻外側(cè)。

多層地下室的外墻各層墻厚可以不同。墻的外側(cè)豎向鋼筋宜在距樓板1/4-1/3層高處搭接，內(nèi)側(cè)豎向鋼筋可在樓板處搭接。墻外側(cè)水平鋼筋宜在內(nèi)墻間中部搭接，內(nèi)側(cè)水平鋼筋宜在內(nèi)墻處搭接。鋼筋直徑大干22mm宜采用機(jī)械接頭或焊接。

地下室外墻豎向鋼筋和水平鋼筋，每側(cè)均不應(yīng)小于受彎構(gòu)件的最小配筋率。當(dāng)外墻較長(zhǎng)時(shí)，考慮到混凝土硬化過(guò)程及溫度應(yīng)力的影響可能產(chǎn)生收縮裂縫，水平鋼筋配筋率宜適當(dāng)增大。

3.3地下室的剪力墻和框架柱

高層建筑的剪力墻底部加強(qiáng)部位計(jì)算起點(diǎn)一般是室外地坪。地下一層一般可按加強(qiáng)部位設(shè)計(jì)，其邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì)與地上一層相同，即地上一層的邊緣構(gòu)件向下延伸一層若地下室多于一層，地下二層及以下一般可按構(gòu)造邊緣構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)；若地下室側(cè)向約束條件較差，則需另行考慮。

當(dāng)?shù)叵率业捻攲幼鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固端時(shí)，地下室框架柱截面每側(cè)的縱向鋼筋面積除應(yīng)符合計(jì)算要求外，不應(yīng)少于地上一層對(duì)應(yīng)每側(cè)縱向鋼筋面積的1.1倍。

3.4地下室的頂板

頂板的厚度不僅對(duì)于承受垂直荷載很重要，對(duì)于承受側(cè)向荷載也非常重要。其平面內(nèi)的變形將影響樓層地震作用在各抗側(cè)力構(gòu)件之間的分配。另外應(yīng)避免或減少在頂板開(kāi)洞，當(dāng)避免不了時(shí)，應(yīng)減小洞口面積，并對(duì)洞口周邊從構(gòu)造上加強(qiáng)，以防止剛度突變或強(qiáng)度降低的不利影響?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，當(dāng)?shù)叵率业捻敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固端時(shí)，樓板厚度不宜小于180mm，不宜有較大洞口，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜地于C30，應(yīng)采用雙層雙向配筋，每層每個(gè)方向的配筋率不宜小于0.25%。當(dāng)?shù)叵率业捻敯宀荒茏鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固端時(shí)，樓板厚度不宜小于160mm。

3.5地下室的回填土

試驗(yàn)資料和理論分析都表明，回填土的質(zhì)量影響著基礎(chǔ)的埋置作用。提高地下室四周的回填土質(zhì)量，可以有利于吸收地震能量，減輕上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。增強(qiáng)建筑物的整體穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外的調(diào)查資料表明，回填土的壓實(shí)系數(shù)達(dá)到0.95以上時(shí)，建筑物地震反應(yīng)減小的程度可達(dá)20-30%。如果不能保證回填土和地下室外墻之間的有效接觸，將降低基礎(chǔ)的側(cè)向剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度以及土對(duì)基礎(chǔ)的約束作用。因此，地下室四周回填土應(yīng)均勻地分層夯實(shí)，根據(jù)具體的情況控制合理的壓實(shí)系數(shù)，保證回填土的質(zhì)量。當(dāng)?shù)叵率彝鈮突又ёo(hù)結(jié)構(gòu)之間的凈距太小而無(wú)法對(duì)回填土進(jìn)行夯實(shí)時(shí)，宜采用素混凝土填充地下室外墻與基坑之間的縫隙。

3.6地下室的抗裂措施

由于地下室的混凝土體量較大，而有些地下室長(zhǎng)度超過(guò)了結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距，混凝土的干縮和施工期間的水泥水化熱將會(huì)導(dǎo)致墻體及樓板的裂縫。設(shè)計(jì)過(guò)程中一般可采用以下措施：

3.6.1設(shè)置施工后澆帶

后澆帶作為混凝土早期釋放約束力的措施已得到廣泛應(yīng)用。

3.6.2采用補(bǔ)償收縮混凝土

在混凝土中摻入U(xiǎn)EA等微膨脹劑，以混凝土的膨脹值抵消其收縮值，從而達(dá)到控制裂縫的目的。

3.6.3提高構(gòu)件的抗拉性能

增加外墻水平分布鋼筋的配筋率減小鋼筋間距。

4.工程實(shí)例

4.1工程概況

湖南長(zhǎng)沙某公司辦公樓，兩幢塔樓通過(guò)地下室連為一體，地上無(wú)裙房，地下室為汽車(chē)庫(kù)和設(shè)備用房?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)，共16層，地下室1層，總高度72m，抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.05g，場(chǎng)地土類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，地下室頂結(jié)構(gòu)平面圖如圖1。

4.2地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1基礎(chǔ)

根據(jù)地質(zhì)條件采用樁基礎(chǔ)，選用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。地下室室內(nèi)標(biāo)高-4.8m，地下室頂板厚度180mm，地下室外墻350mm，基礎(chǔ)底板按沖動(dòng)要求計(jì)算所得厚度為800mm?；A(chǔ)埋深大于結(jié)構(gòu)總高度的1/18，滿足規(guī)范要求。

4.2.2上部結(jié)構(gòu)計(jì)算

由于開(kāi)挖的軟土用于回填，考慮一定的約束作用，對(duì)地下室作用的相對(duì)剛度比取值為2。采用樓層剪力與層間位移的剛度比計(jì)算方法，地下室的側(cè)向剛度與首層側(cè)向剛度比為2.26，滿足嵌固部位剛度比大于2的條件，可以將地下室頂板設(shè)為嵌固端，將地下室作用的相對(duì)剛度比取值為-3，即不考慮回填土的約束作用，再重新計(jì)算。SATWE軟件計(jì)算的結(jié)構(gòu)第一、第二自振周期均以平動(dòng)為主，T1=1.7s，T2=1.3s，以扭轉(zhuǎn)為主的第三周期T3=0.86，T3/T1=0.51<0.9，最大層間位移角為1/1240<1/800，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求。再將嵌固端設(shè)在基礎(chǔ)頂面計(jì)算得T1=1.84，最大層間位移角1/1315，計(jì)算結(jié)果顯示將地下層頂板設(shè)為嵌固端，結(jié)構(gòu)第一自振周期下降8%，最大層問(wèn)位移角下降6%。

4.2.3設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)措施

地下室構(gòu)件的抗震等級(jí)同上級(jí)結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)，剪力墻二級(jí)，框架三級(jí)。地下室柱截面每側(cè)的縱向鋼筋面積較計(jì)算值放大10%配置。頂板梁混凝土強(qiáng)度C30，鋼筋雙層雙向14@100貫通，配筋率大于0.25%，滿足作為嵌固端的構(gòu)造要求。

由于地下室長(zhǎng)達(dá)90m，為解決混凝土的溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力給工程帶來(lái)的不利影響，在兩幢塔樓地下室連接處設(shè)置了一道伸縮后澆帶（圖1中陰影部分），寬800mm，設(shè)計(jì)時(shí)建議采用水化熱較低的礦渣硅酸鹽水泥，在混凝土中摻入10%UEA，并采用循環(huán)冷卻水的方法降溫，嚴(yán)格控制內(nèi)部混凝土的溫度。同時(shí)將地下室外墻的水平筋間距加密為150mm。地下室工程驗(yàn)收合格以來(lái)已有半年，外墻及梁板未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，取得了滿意的效果。

5.結(jié)語(yǔ)

地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的問(wèn)題，涉及到的內(nèi)容繁多而復(fù)雜，因此無(wú)論是從技術(shù)還是從經(jīng)濟(jì)的角度講都需要我們更深入地研究“地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與設(shè)計(jì)”提高設(shè)計(jì)水平，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)正確地把握結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析計(jì)算，并采取適用的構(gòu)造措施，真正做到技術(shù)與經(jīng)濟(jì)同步，安全與適用協(xié)調(diào)。