建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計要點分析

沈鈺婷

（蘭州市城市建設(shè)設(shè)計院，蘭州 730030）

1 引言

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，地下室已成為現(xiàn)代建筑中比較常見的組成部分。地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜，需要綜合考慮建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計、人防要求以及建筑使用功能要求等多種因素，客觀上了加大了設(shè)計難度。設(shè)計人員在設(shè)計地下室結(jié)構(gòu)時，應(yīng)按照相關(guān)設(shè)計規(guī)范的要求對各項設(shè)計參數(shù)進(jìn)行科學(xué)取值和計算分析，準(zhǔn)確把握各項結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，不斷總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗，優(yōu)化設(shè)計方案，為提高建筑地下室結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性以及實現(xiàn)多元化使用功能奠定良好的基礎(chǔ)。

2 地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計基本特點概述

在建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，不僅需要充分考慮建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性要求，并且要同時滿足建筑地下室多元化使用功能的需要，還要全面考慮建筑地下室在結(jié)構(gòu)強度、剛度、抗震、抗浮、防水、防滲以及人防等方面的要求，客觀上加大了設(shè)計難度，對設(shè)計人員的專業(yè)水平也提出了更高的要求。

3 地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計要點分析

3.1 頂板結(jié)構(gòu)設(shè)計要點分析

地下室頂板主要是指地下室頂部板塊區(qū)域，連接地下室和建筑工程的上層結(jié)構(gòu)，對建筑地下室結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)固性均有重要影響。在設(shè)計地下室頂板結(jié)構(gòu)時，設(shè)計人員應(yīng)充分考慮建筑地下室結(jié)構(gòu)的承載能力、上層建筑載荷以及上下結(jié)構(gòu)銜接等問題，同時，還應(yīng)考慮相關(guān)管線設(shè)備的安裝要求等。在計算建筑地下室頂板結(jié)構(gòu)承載力時，設(shè)計人員應(yīng)按照相關(guān)設(shè)計規(guī)范的要求，結(jié)合建筑工程上層結(jié)構(gòu)的具體高度、建筑的使用功能以及建筑工程所在區(qū)域水文地質(zhì)條件、覆土厚度等條件合理確定各項設(shè)計參數(shù)。且在計算取值時，還應(yīng)注意建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計在人防、抗震等方面的要求，以確保設(shè)計參數(shù)客觀準(zhǔn)確，設(shè)計方案科學(xué)合理。

以某建筑工程為例，上層建筑結(jié)構(gòu)為32 層，地下部分為3 層，建筑面積約為42 000 m2，地下部分使用功能包括設(shè)備用房、停車場以及人防功能等。根據(jù)該建筑地下室工程的實際情況，在地下室1 層和2 層結(jié)構(gòu)設(shè)計中選擇無梁樓蓋體系，將上部建筑結(jié)構(gòu)預(yù)埋端作為地下室頂板。由于無梁樓蓋結(jié)構(gòu)能夠用分布式工字結(jié)構(gòu)形式取代傳統(tǒng)梁體集中受力形式，可有效提高建筑地下室頂板結(jié)構(gòu)的抗振動、抗沖擊以及抗壓能力，因此，在建筑地下室頂板結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。在采用該樓蓋結(jié)構(gòu)體系時，為確保端跨安全，應(yīng)將端柱帽設(shè)置于邊支座位置，以改善邊跨外支撐板帶部分的抗彎性能。同時，通過設(shè)置柱帽可以使板帶負(fù)彎矩增加，由柱帽構(gòu)成的剛性區(qū)域能夠有效承載負(fù)彎矩，使板帶跨度減小。此外，在采用無梁樓蓋結(jié)構(gòu)體系時，端跨是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在設(shè)計實踐中，為了達(dá)到降低邊跨中部彎矩的目的，可以采用將角柱以及邊柱部分沖切承載力適當(dāng)增加的方式，且應(yīng)在計算時將鋼筋放大系數(shù)相應(yīng)加大。

3.2 外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計要點分析

在進(jìn)行地下室外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)準(zhǔn)確計算外墻配筋率以及靜止土壓力系數(shù)等，以確保地下室外墻墻體在垂直以及水平方向上的承載力達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。在確定地下室外墻面荷載時，對于水平方向的荷載設(shè)計應(yīng)充分考慮人防負(fù)載以及地面負(fù)載的要求；在確定外墻豎向荷載時，應(yīng)結(jié)合地下室外墻的承重要求以及自重等因素進(jìn)行準(zhǔn)確計算。在設(shè)計實踐中，應(yīng)通過彎矩調(diào)幅法和負(fù)載分項系數(shù)進(jìn)行負(fù)載計算，如有必要，也可以采用多跨連續(xù)計算方式確保計算結(jié)果準(zhǔn)確無誤。計算負(fù)載時，應(yīng)保持彎矩相同。在確定靜止土壓力系數(shù)時，應(yīng)開展現(xiàn)場試驗，由于土質(zhì)的特點不同，靜止土壓力系數(shù)也存在一定的差異，以沙土為例，靜止土壓力系數(shù)通常在0.34～0.45，而黏性土的靜止土壓力系數(shù)則大多在0.5～0.7[1]。在計算外墻配筋率時，應(yīng)結(jié)合地下室外墻尺寸等數(shù)據(jù)，通過雙向板方式對外墻配筋率進(jìn)行計算。而在計算地下室其他墻體配筋率時，則應(yīng)采用單向板的方式，同時，地下室外墻配筋率應(yīng)適當(dāng)增加。此外，在地下室外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)在墻體與土體之間設(shè)置混凝土保護層，保護層厚度應(yīng)在40 mm 以上，選擇混凝土強度等級時，應(yīng)同時考慮結(jié)構(gòu)的強度要求以及工程項目的經(jīng)濟性要求。

3.3 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計要點分析

抗震設(shè)計也是建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中一個重要環(huán)節(jié)，特別是在地震高發(fā)區(qū)域，應(yīng)確保地下室結(jié)構(gòu)抗震性能符合抗震相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求，以保證人員以及經(jīng)濟財產(chǎn)安全。設(shè)計人員應(yīng)全面收集建筑工程所在區(qū)域的歷史地震數(shù)據(jù)，科學(xué)確定抗震等級要求，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。建筑地下室抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)準(zhǔn)確把握設(shè)計要點，提高設(shè)計方案的科學(xué)性和合理性。當(dāng)建筑地下室空間面積較大時，通常應(yīng)采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)形式，以提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。而在具體的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)合理控制剪切比剛度，控制轉(zhuǎn)換層上下兩部分剪切剛度比為1，同時，應(yīng)適當(dāng)提高轉(zhuǎn)換層下方各層剪力墻的剛度，以保證建筑地下室結(jié)構(gòu)在強震發(fā)生時能維持較好的彈性，從而提高建筑結(jié)構(gòu)安全性。在框支層應(yīng)采取相應(yīng)的加強措施，但要注意的是，加強后的薄弱層位于轉(zhuǎn)換層上方，因此，在設(shè)計轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時，應(yīng)以剪力墻底部為基礎(chǔ)進(jìn)行加強處理，并將加強層數(shù)控制在2 層以內(nèi)[2]。在設(shè)計框支層結(jié)構(gòu)時，為了提高剪力墻的延性，可以采取適當(dāng)提高分布筋配筋率的方式，也可以采取將型鋼增設(shè)于角部的方式。設(shè)計框支柱結(jié)構(gòu)時，可以采用鋼筋混凝土柱體以提高其變形性能及延性，還可以通過箱型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用適當(dāng)降低轉(zhuǎn)換層高度。在框支結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)嚴(yán)格遵守抗震設(shè)計要求，合理控制框支層數(shù)，并適當(dāng)提高框支層強度、剛度，以確保承載能力和彈性能夠達(dá)到抗震要求，從而提高建筑地下室結(jié)構(gòu)安全性。

3.4 防滲抗浮結(jié)構(gòu)設(shè)計要點分析

在地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計中，還要充分考慮防滲抗浮方面的要求，特別是當(dāng)建筑工程位于地下室水位較高及降水量較大的區(qū)域時。在設(shè)計實踐中，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求，結(jié)合建筑工程實際情況采取科學(xué)設(shè)計方法，提高地下室結(jié)構(gòu)的防滲抗浮性能。例如，可以適當(dāng)抬高基坑底部標(biāo)高，以改善防滲抗浮性能。還可以采用寬扁梁或無梁樓蓋等結(jié)構(gòu)形式，降低地下室凈高，通過控制地下水水位的方式達(dá)到提高地下室結(jié)構(gòu)防滲抗浮性能的目的。結(jié)構(gòu)設(shè)計人員也可以結(jié)合建筑地下室具體情況采取加載頂板、邊墻或基板的方式來提高防滲抗浮性能[3]。在設(shè)計過程中，還應(yīng)不斷優(yōu)化設(shè)計方案，提高設(shè)計方案的可行性，為后續(xù)施工創(chuàng)造有利條件。在建筑地下室防滲抗浮設(shè)計中，可以采用設(shè)置抗拔樁的方式。其主要是向較為堅硬的巖體中嵌入抗拔樁，并結(jié)合灌漿處理等技術(shù)方法提高地下室基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗?jié)B和抗浮性能。此外，在建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)采用摻有膨脹劑的混凝土，這樣，可以利用混凝土具有的膨脹性將收縮值部分抵消，通過控制拉伸極限的方式達(dá)到減少結(jié)構(gòu)裂縫、提高地下室結(jié)構(gòu)防滲性能目的。目前，在建筑地下室結(jié)構(gòu)防滲抗浮設(shè)計實踐中還廣泛采用了設(shè)置后澆帶或膨脹帶的方式避免混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫問題。其中，后澆帶技術(shù)可以有效控制混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形縫，成為建筑地下室結(jié)構(gòu)防滲設(shè)計的常用手段。而通過設(shè)置補償收縮膨脹帶，可以進(jìn)一步提高混凝土的膨脹性，對于高度在60 m以上的建筑，地下室應(yīng)采用膨脹加強帶的設(shè)計方式，以降低混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫問題概率，從而提高建筑地下室結(jié)構(gòu)的防滲抗浮性能。為了使建筑地下室鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防滲性能得到進(jìn)一步改善，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以選用抗變形性能較好的鋼筋，以達(dá)到強化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的效果，使其具有更強的抗拉能力。例如，可以通過加設(shè)水平溫度筋的方式強化混凝土面層結(jié)構(gòu)。為了解決建筑地下室頂?shù)装寮s束力不同而造成的混凝土構(gòu)件脹縮差異問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員可以在墻體中部設(shè)置水平暗梁，以起到抵抗拉力的作用，降低地下室結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的概率。

3.5 防水結(jié)構(gòu)設(shè)計要點分析

在建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計中，防水設(shè)計是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計水平對建筑工程整體結(jié)構(gòu)的安全性及使用功能的正常發(fā)揮有重要影響。因此，設(shè)計人員在進(jìn)行防水結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)詳細(xì)勘察建筑工程現(xiàn)場，全面收集工程項目所在區(qū)域的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，充分了解當(dāng)?shù)亟邓恳约暗叵滤蛔兓攸c等信息，以合理選擇建筑地下室防水結(jié)構(gòu)形式及防水材料。目前，在建筑地下室防水結(jié)構(gòu)設(shè)計中，大多采用防水混凝土、防水卷材等材料，設(shè)計人員應(yīng)嚴(yán)格遵守防水設(shè)計規(guī)范要求，合理確定防水層厚度等各項技術(shù)參數(shù)，以提高建筑地下室的防水性能。此外，在建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐中，由于目前很多建筑的地下室都具有停車場功能，因此，在設(shè)計中還要合理設(shè)置防水節(jié)點及疏水通道，以確保使用功能正常發(fā)揮。

3.6 墊層及保護層結(jié)構(gòu)設(shè)計要點分析

在建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，設(shè)計人員應(yīng)按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求合理確定墊層以及保護層厚度、混凝土強度等級等設(shè)計參數(shù)，以提高建筑地下室結(jié)構(gòu)強度及防水性能。其中，混凝土強度一般應(yīng)在C15 以上，厚度應(yīng)達(dá)到100 mm 以上，而防水混凝土結(jié)構(gòu)層厚度則應(yīng)在50 mm 以上。同時，設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合建筑地下室的工程具體情況及防水要求等對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以確保設(shè)計參數(shù)取值科學(xué)合理，全面提高建筑地下室結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量和水平。

3.7 建筑地下室超長結(jié)構(gòu)設(shè)計要點分析

隨著建筑工程規(guī)模不斷擴大，近年來出現(xiàn)了一些超長地下室結(jié)構(gòu)，加大了結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度。在對超長地下室結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，防止整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫或變形是設(shè)計工作重點。對于長度在40～60 m 的建筑地下室，設(shè)計人員可采用設(shè)置伸縮后澆帶的方式消除結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力。與普通后澆帶相比，在超長地下室結(jié)構(gòu)后澆帶設(shè)計中，應(yīng)將鋼筋斷開，并結(jié)合地下室具體空間面積以及鋼筋尺寸規(guī)格等合理確定后澆帶設(shè)計寬度。在設(shè)計實踐中，也可以根據(jù)實際情況采用膨脹筋帶或?qū)⑴浣盥蔬m當(dāng)提高等多種方式，以滿足不同建筑工程地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

4 結(jié)語

地下室結(jié)構(gòu)會對建筑工程整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量和安全產(chǎn)生重要影響，因此，設(shè)計人員應(yīng)充分認(rèn)識到地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的重要性。在地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計人員要嚴(yán)格遵守建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的各項要求，并結(jié)合建筑工程的實際情況準(zhǔn)確把握地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計中各個環(huán)節(jié)的設(shè)計要點，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，確保地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計方案科學(xué)合理，從而全面提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，為建筑地下室多元化功能的實現(xiàn)創(chuàng)造有利條件。