高層建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

周俊威

如今，在高層建筑工程中，多設(shè)置若干層地下室，用于地下車庫和設(shè)備用房。為保證整體結(jié)構(gòu)的合理性，需切實做好地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分考慮設(shè)計中的每個環(huán)節(jié)，保證設(shè)計的可行性、合理性及經(jīng)濟性。

1 主、裙樓之間的關(guān)系

1.1 變形縫

變形縫是抗震縫、伸縮縫與沉降縫的總稱，是否需要設(shè)置變形縫主要和場地類別與基礎(chǔ)形式有關(guān)。某高層建筑地下室總平、剖面如圖1所示。

本高層建筑主樓地上26層，總建筑高度為100m，設(shè)1層地下室；裙樓地上4層，設(shè)2層地下室。本建筑處在7度設(shè)防區(qū)，在筏形基礎(chǔ)以下，均采用預(yù)制混凝土方樁。根據(jù)設(shè)計原則，因主、裙樓的高度和荷載相差懸殊，且建筑物的總長嚴(yán)重超限，所以必須在主、裙樓之間布置變形縫。但在地下室，不布置變形縫，將其連成整體。這樣做的目的在于：①如果布置變形縫，則會對地下室正常使用造成影響，裙樓伸入到主樓地下室施工困難；②布置沉降縫，會使主、裙樓的一方產(chǎn)生樁基后退，這樣不僅會造成樁位難以布置，而且還會出現(xiàn)懸挑；③從工程實踐可以看出，只要設(shè)計合理，建筑沉降量通常很小。本建筑主、裙樓以下均為預(yù)制混凝土長樁，同時予以加強處理，避免產(chǎn)生不均勻沉降；其四，掩埋在土體中的結(jié)構(gòu)，其受到的大氣影響比地面結(jié)構(gòu)小。為防止地下室產(chǎn)生收縮開裂，并避免受到地上溫度等因素的影響，不僅要在裙房的其中一側(cè)布置后澆帶，而且還要在主、裙樓之間布置伸縮縫。

是否需要設(shè)置變形縫主要和場地類別與基礎(chǔ)形式有關(guān)，以某工程實例為例進行分析。本工程處在7度設(shè)防區(qū)，主樓地上21層，總建筑高度為70m，用于辦公；裙樓地上4～5層，總建筑高度為22m，用于開展活動與住宅，采用框架結(jié)構(gòu)。主、裙樓設(shè)1層地下室，高度相等，同時在的底板以下設(shè)置混凝土灌注樁。由建筑功能可以看出，如果將主、裙樓連成一個整體，則因主樓的平面相對較小，且裙樓縱向很長，所以必定產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。此外，從使用的角度講，柱網(wǎng)和層高都很難進行協(xié)調(diào)。所以應(yīng)布置沉降縫，將主、裙樓分開，這是合理可行且切實必要的。然而，因布置沉降縫后，會使主樓在布置變形縫的一側(cè)喪失側(cè)向限制，受水平方向的作用力后，產(chǎn)生側(cè)移。所以應(yīng)在雙墻雙柱之間充填粗砂，用于對水平方向上的地震力進行傳遞。

1.2 剛度平衡

圖1 地下室總平、剖面

在主、裙樓的地下室相聯(lián)結(jié)，且裙樓地下室面積很大時，由于二者的豎向剛度存在很大偏差，會產(chǎn)生剛度不平衡這一實際問題。對于高層建筑，其剪力墻大多設(shè)置到地下室，使地下室和上部構(gòu)成有較大剛度的整體。裙樓多采用框架結(jié)構(gòu)，如果其平面面積相對較大，則裙樓剛度將小于主樓。在主、裙樓的地下室相聯(lián)結(jié)后，必定協(xié)同作用，發(fā)生協(xié)調(diào)變形。這一情況下，因裙房豎向剛度較為柔軟，在聯(lián)結(jié)處周圍可能產(chǎn)生彎曲變形，形成剪應(yīng)力與彎曲應(yīng)力。此外，因聯(lián)結(jié)處剛度突變，所以應(yīng)力容易集中于此處周圍，如果應(yīng)力達到混凝土極限強度以上，則構(gòu)件將產(chǎn)生開裂。針對這一現(xiàn)象，應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中對地下室結(jié)構(gòu)剛度予以加強。特別是在彎曲變形方向上分布的豎向剛度，同時注意聯(lián)結(jié)處強度及剛度過渡等實際問題。

2 主體外局部地下室房間的處理

對于主體外局部地下室房間，即將全部落地形式的地下室結(jié)構(gòu)作為主體，考慮到建筑與設(shè)備實際需要，還會在主體外部布置懸挑房間。該房間屬于局部性質(zhì)，或和主體基礎(chǔ)的底板保持聯(lián)結(jié)，也會在某層高處進行挑出。對于局部房間，無法和主體基礎(chǔ)的底板一同按照現(xiàn)行理論實施分析計算，但和主體同時發(fā)生下沉。某高層建筑所設(shè)三層地下室如圖2所示，其底板以下采用灌注樁基礎(chǔ)。為滿足設(shè)備布置方面的要求，于負(fù)二層增設(shè)一處房間，將其直接放置在地基上。在進行這一房間的設(shè)計工作時，應(yīng)進行以下考慮：①將這一房間視作在主體上嵌固的懸臂構(gòu)件，和主體結(jié)構(gòu)相聯(lián)的房間，其兩側(cè)墻體視作主體上的懸臂深梁；②房間的頂板承擔(dān)上部覆土重量與從地面上不斷傳遞而來的活荷載。應(yīng)注意的是，房間下部地基反力不單單是由房間自重產(chǎn)生。在與主體相連后，伴隨上部施工不斷進行，荷載不斷積累，房間和主體同時產(chǎn)生沉降；③雖然懸臂深梁屬于主要承重構(gòu)件，但用于承擔(dān)上、下部荷載的頂板和底板，同樣為在主體上進行嵌固的懸臂構(gòu)件，所以，受到面荷載持續(xù)作用后，主體和板之間的交界面將產(chǎn)生剪力和彎矩，在設(shè)計過程中不可忽略（如圖2所示）。

3 懸臂基礎(chǔ)板處理

（1）伴隨上部荷載不斷作用，整體建筑產(chǎn)生沉降，荷載由基礎(chǔ)底板不斷向地基與樁基傳遞。受樁基與基底土作用后，承臺如同倒放在上部墻柱以上。

（2）對于懸臂基礎(chǔ)板以下反力方面的問題，通過以上分析可以看出，部分荷載將由基礎(chǔ)板不斷傳遞到地基。從基礎(chǔ)板角度講，不同部分地基反力保持均勻且一致，如果工程處在軟弱地基，則會產(chǎn)生沉降，從現(xiàn)有文獻可以看出，反力可取總荷載的10%，同時和基礎(chǔ)板中的恒荷載反力對比，從中選取較大值。同樣，這一部分的反力也應(yīng)控制在地基土承載能力以內(nèi)。

（3）受地基反力與水浮力后，懸臂板將發(fā)生一定程度的翹曲。此時，需要將樁排以外到基礎(chǔ)板以外邊緣的距離為依據(jù)對懸臂板進行準(zhǔn)確計算。

（4）在懸臂基礎(chǔ)板中，縱向嵌固帶屬嵌固端，主要承擔(dān)從基礎(chǔ)板上傳遞來的剪力及彎矩。與此同時，在基礎(chǔ)板上，嵌固條帶為柱上板帶。可見，可將基礎(chǔ)板視作在墻柱倒放的無梁樓蓋。受樁群與地基反力等實際作用后，根據(jù)無梁樓蓋的基本原理，對于縱向嵌固條帶，它承擔(dān)主要的反向荷載，意義重大?；诖?，對嵌固帶寬度進行計算時，需要按照縱向樁距離來計算，當(dāng)然也可根據(jù)柱上板帶實際寬度完成計算。

圖2 某高層建筑地下三層結(jié)構(gòu)

（5）對懸臂基礎(chǔ)板以上的實際荷載進行計算時，板端外墻和從頂板上傳遞的荷載都屬于集中線性荷載，并且只考慮恒載，對覆土的重量可不予考慮，在計算過程中不取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

從已有的工程實例中可以看出，地下室剛度是使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生協(xié)同工作的重要基礎(chǔ)。若對基礎(chǔ)板的實際懸臂長度予以增大，則只依靠板底抵抗彎曲應(yīng)力會顯得十分乏力，這一情況下，可按照一定間隔距離設(shè)置工字型截面，進而提高抗彎截面的實際高度。也可在板體的端部增設(shè)抗拔樁，以此對實際的受力狀態(tài)予以有效改善。

4 結(jié)束語

在高層建筑工程中，地下室的設(shè)計涉及到很多不同方面，仍有諸多問題亟待解決。以上研究從宏觀角度研究了地下室設(shè)計，得出以下結(jié)論：

（1）在地下室結(jié)構(gòu)中，變形縫設(shè)置需要綜合考慮實際情況，嚴(yán)格按照聯(lián)得牢固和脫得徹底的基本原則實施結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（2）重視并有效加強結(jié)構(gòu)剛度，同時盡可能避免剛度突變，尤其是在聯(lián)結(jié)處，不能存在突變的情況，否則將對結(jié)構(gòu)的整體性造成影響。

（3）對于地基反力準(zhǔn)確取值，其本質(zhì)上屬于樁基和地基土之間荷載合理分配的問題。按現(xiàn)有文獻資料與相關(guān)工程經(jīng)驗，地基土的分配值應(yīng)取建筑物總荷載的10%。