基于某高层建筑地下室结构设计研究

【摘 要】文章结合某高层建筑地下室案例，对上部结构嵌固部位的确定以及地震作用计算分析，详细讨论地下室结构整体设计。

【关键词】高层建筑；地下室；结构；基础设计

引言

随着国民经济建设的发展，大片的城市住宅或商业建筑和高层、超高层建筑越来越多。为了满足建筑功能及基础埋深的需要，一般均设有一层或多层地下室，平时做为车库、设备用房或商业用途，战时将其中部分或全部用做人防设施。由于地下室设计荷载较大，防水抗裂要求高，其造价占整个项目造价的比重也相当大。由于地下室所处的位置以及影响的设计因素较多，要考虑的技术问题较多，如不均匀沉降、地下室抗浮等，这些都造成地下室结构设计在建筑结构设计中起着重要作用，更是不容忽视，稍有设计不当将会给整个建筑结构带来安全隐患。

1.工程概况

某住宅小区地上为18层的钢筋混凝土框架剪力墙结构，地下为1层结构，主要用途是停车库。建筑高度为54m，建筑设计使用年限为50a。该工程采用预应力管桩，以强风化岩或中风化岩为持力层，单桩承载力特征值1800kN，底板采用平板式筏，抗浮水头5m。建筑抗震设计类别为丙类，工程所处地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g。框架和剪力墙的抗震等级均为三级，其中框支柱、框支梁为二级。裙楼结构部分的抗震等级与主体结构相同，应为二级。地下室在平时主要作为停车库，战时则作为人防工程，人防等级设计为六级。

2.上部结构嵌固部位的确定以及地震作用计算

上部结构嵌固部位如何合理地选取很关键，这往往影响着计算模型的计算分析。例如，对于大底盘的地下室来说，其上部结构为十几栋的塔楼，在选取上部结构嵌固部位时若将其取在基础顶面，则上部十几栋塔楼相应地下室结构都必须按多塔来进行建模计算分析，这显然不现实。若将上部结构的嵌固部位选取在地下室顶板，这十几栋塔楼的地下室都将作为一个整体进行单独计算，这显然符合实际要求。为了使地下室顶板能够作为上部结构的嵌固部位，就必须在进行地下室结构设计时使其满足作为嵌固部位的要求。因此，本工程的地下室顶板作为上部结构的嵌固端，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》的有关规定进行了以下结构设计：

1）本工程为人防地下室，地下室的顶板未布置大洞口；同时地下室顶板采用现浇梁板结构，顶板厚度取为250mm满足规范规定不宜少于180mm的要求；楼板混凝土强度等级选用C30，采用双层双向钢筋配置方式，而且保证每层每个方向的配筋率大于0.25%。这些确保了本工程的地下室顶板具有足够的强度来作为上部结构的嵌固端，同时确保了具有足够的刚度来传递上部结构的力到地下室构件上。

2）地下室顶板作为上部结构嵌固端，其楼层的侧向刚度不宜少于相邻上部楼层的侧向刚度的2倍。本工程的地下室进行初步设计时，为了满足这要求，采用剪切刚度比来进行设计，如下面两公式所示。

在进行本工程的地下室刚度设计时，采用SATWE软件对侧向刚度比值进行了调整，从而得到了满足规范要求的地下室结构与相邻上部结构楼层侧向刚度比值，经计算剪切刚度比为0.2985

3）地下室顶板作为上部结构的嵌固部位，其抗震等级的选取以及抗震构造措施的采取是决定地下室构件计算是否正确的关键。按照规范要求，本工程的地下室顶板作为上部结构的嵌固部位，地下室一层的抗震等级按照上部结构的采用，即采取三级抗震。

3.地下室结构设计

3.1地下室基础设计

根据本工程地质报告的情况，本工程采用预应力管桩基础，持力层为强风化岩或中风化岩，500mm直径管桩单桩承载力特征值1800kN，岩层承载力较高，可满足沉降的要求。

3.2地下室顶板设计

本工程地下室顶板上设计了园林景观，需覆土0.5m，同时考虑到设备管线的高度及其保护土层厚度，最后确定覆土厚度为1.1m。

1）主楼室内部分地下室顶板设计

主楼室内部分的地下室顶板适宜考虑施工阶段的承载力验算，因此考虑施工荷载后楼板荷载取为5kN/m2。

2）园林景观顶板设计

园林景观部分除考虑覆土的重量外，尚需考虑景观、道路及附属设施的荷载；本工程景观部分荷载取值为4kN/m2，消防车道部分荷载较大，按照规范的要求应为35kN/m2，但考虑到本工程地下室顶板上有1.1m的覆土，荷载经过扩散后实际传导到梁板上的荷载已大大减小，经计算扩散后消防荷载取值可按20kN/m2考虑。

3）人防地下室的荷载取值

由地下室一层为人防地下室，所以对于本工程中的露天顶板要考虑到爆动荷载影响，但鉴于人防地下室顶板的爆动等效荷载要比消防车作用的板面等效荷载大，因此人防地下室顶板的荷载按照六级人防顶板的等效荷载考虑，取750kN/m2，但在设计中不同时考虑这两种荷载的组合，仅需按人防爆动等效荷载进行地下室顶板计算。

3.3地下室侧壁设计

1）进行地下室侧壁设计时，侧壁主要考虑的荷载有：结构自重、地面堆载及活载、防核爆等效静荷载、侧向土压力、地下水压力等，由于侧壁受有多种荷载共同作用，受力较为复杂，为了简化计算，在设计中可作合理的简化。

本工程地面活荷载取为q=10kN/m2，则折算土的厚度应为h=10/18=0.56m，等代土压力采用公式计算。侧向土压力对于地下水位以上的土压力采用公式，对于地下水位以下的土压力则采用公式计算。

本地下室工程的侧壁采用以上所介绍的公式以及简化计算，经计算地下室1层的侧壁板厚取为350mm。

2）侧壁的构造要求是，在与土壤接触的侧壁混凝土保护层取为40mm，地下室内部的混凝土则取为15mm。把地下室侧壁的水平钢筋配置在外侧，而竖向钢筋配置在侧壁内侧。为了有效控制本地下室的侧壁混凝土开裂，混凝土强度等级并不宜取得高，以减小混凝土的收缩应力，工程混凝土强度等级取为C30。同时，本工程还设置了多道后浇带，有效的减小了地下室混凝土开裂。

3.4地下室底板设计

1）地下室底板主要以抗渗和抗浮计算为主，地下水位按50a一遇考虑取在室外地坪，抗浮水头5m，抗渗等级P6。地下室底板所处土层为淤泥及淤泥质土，承载力较低不能作为持力层，故本次设计地下室底板按倒楼盖设计，采用无梁楼盖的方法计算，采用经验法，经计算地下室底板厚600mm。

2）地下室底板的钢筋布置要合理。地下室底板同一方向的梁板面筋应布置在相同标高上，没必要把两个方向的板面筋布置在梁面筋以下。这是由于基础梁两个方向的面筋本身就存在高差，而若把底板双向的面筋都布置在基础面筋下，则会造成底板面筋的面筋保护层过大，造成窝顶情况出现。

3）抗浮桩的验算与设计

该公式中荷载标准值对应于桩的特征值，相当于基础地耐力计算式，概念较为明确，且在验算建筑物之抗浮能力时不应考虑建筑物上的活荷载。水浮力标准值，为水头高度，即抗浮设计水位与地下室底板底之间的高度；A为水浮力的作用面积。因地下室抗浮是一个十分重要的问题，若考虑不当将会带来严重的后果，且补救较为困难，所以抗浮验算时安全系数取1.1。另外，在设计中有许多对抗浮有利的因素在公式计算中无法体现，且均未予以考虑。如黏性土的阻水作用，地下室侧壁的侧阻作用，底板与土壤的粘结力和吸力均未记入，上部建筑物及地下室的整体刚度很大，上部建筑物的压重在地下室部分的扩散作用均未考虑，这些有利因素均可作为安全储备。

该工程桩基抗浮验算时分两种情况，一种为柱下抗浮桩，另一种为非柱下抗浮桩。对于柱下抗浮桩（取⑥轴交F轴处柱下桩计算）建筑物自重及覆土自重的标准值G=1755kN，而该处承受的向上的水浮力标准值Fw=1037kN，G>1.1Fw，说明在有柱子的情况下，建筑物的自重及覆土自重比受到的水浮力大很多，足以满足抗浮要求而无需抗浮桩。因此，对于柱下桩可不考虑抗浮要求，仅需满足竖向抗压承载力就可以了。对于非柱下抗浮桩（取⑥轴～⑦轴交F轴～G轴中间处非柱下桩计算），由于其承受的建筑物自重较小，G=489kN，Fw=1037kN，G>1.1Fw。因此，非柱下桩必须考虑抗浮要求。根据工程地质勘察报告提供的数据及土层情况，经计算确定该工程抗浮桩的单桩竖向抗浮承载力特征值Ra=680kN。

因此，根据上述抗浮计算公式G+nRa>1.1Fw，89kN+680kN=1169kN>1.1×1037kN，满足抗浮要求。

4.结语

地下室作为整个建筑结构的重要组成部分，其决定着整个建筑结构是否具有稳固的基础，在一些高层建筑中，地下工程的造价甚至还比上部结构造价要高。而由于地下室的特殊位置，其结构设计是较复杂的设计问题，要考虑以及涉及的内容繁多，甚至对于一些关于地下室结构的设计问题目前还没得到思想一致，如基础与地基的相互作用、上部结构刚度对地基基础的影响程度等。鉴于地下室的复杂设计因素，这要求我们设计人员在进行地下室结构设计时应把握安全可靠、经济合理的协调原则，从技术以及经济方面去深入研究地下室结构的设计技术问题。

参考文献：

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[2]都军花，梁丽芳.建筑工程中地下室结构设计探讨[J].中国高新技术企业，2009.

[3]杨照夫.金马同盛大厦地下室结构设计分析[J].科技创新导报，2009.