浅析地下室结构设计及其问题探讨

摘要：地下室结构设计一直是建筑总体结构设计中难度比较大的部位，笔者介绍了地下室结构设计需要考虑的因素，再从地下室结构的优化设计、抗浮设计及其裂缝控制等几个问题进行了简要阐述，并对超长地下室结构设计问题进行了分析探讨，从而进一步说明了结构设计的重要性。

关键词：地下室 结构设计问题探讨

Abstract: structural design of basement has been building structure design in the difficult position, the author introduces the factors should be considered in structural design of basement, and from several optimization design, the basement structure of the anti floating design and crack control are briefly described, and the structure design of super long basement problems the analysis and discussion, and further illustrates the importance of structure design.

Keywords: Discussion on structural design of basement

中图分类号：TB482.2文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

伴随着大规模的城市建设，对地下空间的利用越来越重视，地下工程越来越多，基本上每个工程都会有地下室，地下工程在整个建设项目中所占的比重越来越大, 地下工程材料消耗大、建造周期长、施工难度大, 结构设计的好坏将会对整个项目的设计周期、施工工期以及建造费用产生巨大的影响。结构设计人员必须深度掌握其设计常识及要点。

一、地下室设计需要考虑的因素：

1、地下室设计必须考虑上部建筑高度、结构形式，包括结构刚度及分布、整体性、荷载大小等；计算参数中必须根据上部结构考虑是否采用模拟施工二，确定合理的地基反力模型及抗倾覆计算模型。

2、设计中应根据工程地质条件选择适宜的基础形式，保证地基承载力、沉降、底板变形和内力的统一；合理确定水压力，进行抗浮设计、防水设计等。

3、地下室作为上部结构与地基基础的衔接部位，必须考虑地震作用及风荷载向基础传递，保证水平力传递途径、变形协调及反力重分配。

4、地下室设计中需考虑周边环境房屋、管线、地铁等，必要时应与基坑支护单位密切配合，确定适宜的支护形式。

二、地下室的结构优化设计

2.1 地下室结构平面设计

在设计高层建筑的地下室时，需要考虑防火、排水、人防、通风、采光等因素。比如设计的地下室长度与规定长度不符时，需要配合结构专业，确定是不是可以用变形缝。设计师也可以靠后浇带或者地上设缝的方式替代地下设缝，因为地下设缝会使得处理防水问题时变得很复杂。很难解决设置后浇带的问题，可以将地下室进行分割，变成一个个小的地下室，中间再有管道来连接，在管道相连的地方设置变形缝。另外在结构设计时为了通风和采光的需要，还要设计通风采光井，通风采光井必须合理设计，如果位置不当会使地下室丧失整个建筑结构稳定的功能，不能将地上的风力和地震传到地下及侧面，不符合建筑物深埋的要求。

2.2 地下室顶板的结构优化

地下室的顶板是地上整个高层建筑的水平约束支座，要想对

地上结构有足够的约束作用，就必须有足够大的刚度。所以，在设计地下室时，对顶板有严格的要求，顶板的厚度要大于等于160mm，这样才能取得足够大的刚度。

2.3 地下室外墙的结构设计

1、荷载。地下室的外墙所能够承受的荷载包括水平荷载，竖直荷载。水平荷载又包括地面荷载和人防等荷载。竖向荷载包

括地上部分和地下室的传重和自重。在设计工程中，竖向荷载和

风荷载以及由于地震产生的内力一般起不到控制作用。墙体的配筋由竖直墙面的水平荷载产生的弯矩决定。

静止土的压力系数。静止土压力应该通过实验来确定，如果没有条件实验，沙土的压力在0.34到0.45之间，黏性土的压力在0.5到0.7之间。

3、地下室外墙的配筋。在实际的设计中，外墙的配筋不是

根据扶壁柱的尺寸来计算，而是按照双向板来计算。在计算配筋时，对整个高层建筑的外框架的配筋要按照双向板计算，其他的部分按照单向板计算。外墙的扶壁柱竖向荷载很小，内外侧的主筋应该适当加强。计算地下室的外墙是底部为固定的支架，底部的弯矩和侧底部的相等，侧壁抗弯能力必须大于底板的抗弯能力。地下车道是这方面设计的典型。

地下室的抗浮设计和裂缝控制：

3.1地下室抗浮设计

当地下室埋藏较深或地下水位较浅时，裙房及纯地下室部分可能会有抗浮不满足要求的问题。

3.1.1在设计允许的情况下，尽可能提高基坑坑底的设计标高，间接降低抗浮设防水位。高层建筑的基础底板多采用平板式筏板基础和梁板式筏板基础。一般而言，平板式筏板基础的重量与梁板式筏板基础上填覆土的重量基本相当，但后者的基础高度一般要比前者高，在保证基顶标高不变的情况下，后者的基础埋深要大于前者。从而相对提高了抗浮水位，故采用平板式筏板基础更有利于降低抗浮水位。

3.1.2 楼盖提倡使用宽扁梁或无梁楼盖。一般宽扁梁的截面高度为跨度的1/22~1/16，宽扁梁的使用将有效地降低地下结构的层高，从而相对降低了抗浮设防水位。

3.1.3 增加地下室的层高来增加地下室的重量是解决地下室抗浮问题的一个直接有效的方法，但这种方法还应该结合地基土的承载力而定，在对主体结构的地基承载力进行深度修正时，增加地下室的层高可以提高主体结构的有效埋置深度，从而提高了主体结构修正后的地基承载力特征值。

①增加基础配重。此种方法大致有以下3种情况：增加基础底板的厚度、增加基础顶面覆土厚度、基础顶面采用容重大且价格低廉的填料。这三种方法的共同特点是：在增加基础配重用以解决抗浮问题的同时又不可避免的增加了基础的埋置深度，从而相对地提高了地下室抗浮设防水位的高度，因此它不是一种效率最高的方法。

②增加地下室顶板的厚度。这种方法的优点是：在不增加基坑坑底标高的前提下，增加了地下室的重量，而且使用厚板后，地下室顶板的大板块之间可以不再设置次梁。但此种方法的缺点是会略增加地下室顶板框架梁的负荷，而且由于板厚有限，这种方法解决抗浮问题的效果也是有限的。

3.1.4 设置抗浮桩。表面上看这是一种解决抗浮问题行之有效的方法，但仔细分析，这种方法也有一定的局限性，从结构受力方面讲，由于地下室的抗浮设防水位是根据拟建场地历年最高水位结合近几年的水位变化情况提出来的，即使是经过重新评估后确定的抗浮设防水位，也是按一定的统计规律得出的结论。很显然，这种方法确定的地下水位在一般的情况下是很难达到的。加之设计计算的不精确性也使得抗浮桩具有一定的安全储备，因此，“抗浮桩”实际上长期起着“抗压桩”的作用。这种“反作用”将阻碍有抗浮要求的地下室的合理沉降，而这种变化将会使无沉降缝的大底盘地下室在主体结构和裙房之间产生更大的不均匀沉降差；同时设置抗浮桩后，计算基础底板内力及配筋时应考虑地下水压力，这样也会增加基础底板的荷载。另外一方面，如果地下水位长期处于一种较高的水平之上，设置抗浮桩也不乏是一种有效的方式。因此，抗浮桩是一把双刃剑，使用时需仔细考虑。

3.2 地下室裂缝的控制

地下室裂缝是一个比较难以很好解决的问题。既然不能完全的使地下室裂缝都满足规范要求的范围之内，即≤0.2mm，那么作为一个设计人员来说，在设计地下室的时候就应该从设计的方面考虑，在地下室今后可能出现较大裂缝的部位在设计中予以加强，并在混凝土材料上做出一定的要求，以减少地下室可能出现的裂缝。以下通过几方面来具体分析。

3.2.1混凝土裂缝的类型主要有两类：

第一类是荷载引起的裂缝，包括按照常规计算的主要应力引起的“荷载裂缝”，以及由结构次应力引起的“荷载次应力裂缝”，二者通称为结构性裂缝。第二类是由混凝土自身的原因引起的裂缝，包括温度、湿度、收缩和膨胀、不均匀沉降等因素引起的裂缝，也称非结构性裂缝。

3.2.2 在设计中考虑具体措施控制地下室混凝土裂缝

第一类裂缝我们在结构设计里能比较好的控制。但是第二类的裂缝，在结构设计里面要想很好的控制就不是那么容易了。第二类裂缝的形成有非常多的因素，包括设计、施工、环境等多方面。在设计方面，我们在做地下室结构设计时应对该工程进行一个系统的分析，主要是考虑混凝土的收缩和温度对混凝土影响使得混凝土产生应力集中的问题。

对于混凝土的收缩，设计人员可以要求工程施工时使用的混凝土添加抗裂剂和膨胀剂。添加合理掺量的外加剂可以很好的控制混凝土的收缩应力并大大减小混凝土因收缩而产生的裂缝。地下室的长度或宽度过大也是比较容易产出裂缝的。这类地下室在设计时应加设后浇带及膨胀加强带。这样不但很好的控制了混凝土收缩带来的应力集中所产生的裂缝，也能很好的控制因沉降不均匀所产生的裂缝。温度是混凝土容易形成裂缝的另一个主要原因。地下室底板厚度过大时应注意混凝土浇注的厚度和施工时间、施工顺序的控制，以减少混凝土因水化反应热的影响而产生裂缝。设计人员应对减少工程施工产生混凝土裂缝的具体措施在施工图上有比较详细的交代，这样就能从设计上真正指导施工，以减少因施工原因所产生的混凝土裂缝。

地下室的裂缝产生的原因多种多样，引起混凝土开裂的原因很多、很复杂，且会相互影响。在设计中只要尽可能的考虑周全，就能把地下室产生裂缝的可能性降到最低。

四、超长地下室结构设计要点

4.1 抗与放的裂缝控制原则

在超长地下室结构设计中，为了能够控制混凝土结构开裂问题，设计师会根据地下室的长度、混凝土结构的收缩应力以及温度应力之间的非线性关系，采用“抗放兼施”的设计方案。所谓“抗放兼施”，其实质意义就是对混凝土超长结构进行有条件的浇筑工作，使得在外力的作用下不会产生超负荷变形，同时，又不会对混凝土结构内部产生很大应力。不仅保证混凝土结构处于自身的承载极限之内，还要保证在对超长结构地下室使用过程中处于它的使用极限之内。

对于超长地下室结构的设计，使用“抗放兼施”这一设计原则，其实，就如我们平日所说的增强混凝土结构自身的抗力，减少外来作用力的说法是相似的。只要我们能够保证在超长的混凝土结构中，其自身内部产生的各种应力小于混凝土自身的最大约束应力，就是好的设计方案。

4.2 超长地下室结构的合理布置和设计

对于超长地下室的结构设计中，结构布置十分重要，近乎决定着建筑施工的成败。地下室的无缝设计与“伸缩缝”设计是两种不同的结构布置类型。在无缝设计中，可以很好的达到地下室防水工程，但相对于伸缩缝的结构设计形式来说，对于施工技术有很高的要求，并提高了工程造价。因此，我们可以综合这两者的不同和优点。例如，在结构布置和设计过程中，对于地下室的平面与立面的设计，为避免整体结构截面上的突变，一般要求平面的布置要规则整齐。对于立面的布置设计，我们便可以根据实际情况，灵活运用无缝设计的“抗”方法，和设置伸缩缝的“放”理念，以便减少超长地下室结构立面施工的约束应力。

超长地下室的结构设计中，钢筋的合理布置同样十分重要。钢筋的使用并不是直径越大而越实用，而是在设计施工时，应尽量采用小直径的钢筋，加大钢筋与钢筋之间的密度，缩短排布的距离。尤其重视在超长地下室结构的受力处、应力大的以及结构的变截面处，增加钢筋的排布设计，从而起到牢固地下室结构的作用。高强度的混凝土并不适用于超长地下室结构设计中。因此，对于混凝土的强度，选择60d或90d强度的中低强度混凝土。并在使用时掺入8%～12%的膨胀剂，用来中和混凝土结构内部的应力。

4.3 后浇带设计要点

施工后浇带这是一项传统的施工设计，在每隔30～40m左右的位置便设置一道1m宽的后浇带，起的作用却是十分强大。它能够有效地适应、消化超长地下室的结构收缩变形，并减少混凝土结构内部的收缩应力。

4.4 膨胀加强带设计要点

后浇带在施工过程中涉及很多问题，例如，在后浇带浇筑前的保护问题，后浇带两侧的防水问题等。这些问题为地下室施工过程带来诸多不便，为此，经多年施工实践发展，我们发现应用膨胀加强带能够更好地完成后浇带的作用，并在施工中简便很多。膨胀加强带之所以能够取消后浇缝过程，是因为，膨胀加强带能够以其膨胀应力中和补偿收缩应力和温度应力。这在混凝土建筑中具有十分显著的应用成效。

地下室的结构设计过程错综复杂，我们应以遵循安全、适用和合理的原则，及合理的设计为前提，进行全面考虑，把问题减小至最低或消除，以使建筑地下室结构设计工作发挥其最大的经济作用和社会效益、战备效益，只有在参建各方的通力合作下, 不断地进行探索和创新,才能更加合理、更加有效地开发和利用地下空间，最后达成设计要求。

参考文献：

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