大底盘高层建筑地下室结构设计要点及处理方法

摘要：大底盘多塔结构形式广泛应用在小区设计中,针对此类工程设计中的几个常见问题:如嵌固端的确定,地下室部分的设计、基础沉降计算及沉降差异差异的处理以及结构超长措施等提出了建议,以推广大底盘多塔结构的应用。

关键词：大底盘；嵌固端；地下室；沉降差异

中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：

近年来,我国高层建筑的大量兴建,大底盘多塔楼结构形式越来越多地被采用。带地下车库的住宅小区就是其中的一种。以工程实例进行说明：

一、工程概况

现在很多工程普遍存在一个现象，为解决有足够的汽车停放位置及有较好的生活环境，建筑物间设有庭院绿化，利用地下空间设置停车库，并与楼房连通，这样地下部分练成一片，车库顶板上覆土厚度1500~1800mm不等。以淄博市张店区某居住小区为例，此工程是由上部多栋高层住宅与底部连成整体的大底盘地下停车库组成，住宅地下均设两层储藏室。上部各塔楼的层数均为18层、高度均相同，平面布置截取局部详附图1，剖面关系详附图2。

附图1

附图2

二、工程地质条件：

本工程自然条件：基本风压0.4KN/m2,基本雪压0.45KN/m2。抗震设防烈度7度，地震加速度为0.10g设计分组第二组。该场地地形总体较为平坦，地貌类型单一，地层结构较单一，横向分布较均匀，纵向逐层分布。拟建场地自上而下各土层的特征如下：

主楼和车库均以第4层粉质粘土为持力层：从地下室地面起算主楼埋深2.0m，车库埋深1.3m。

三、工程设计要点

（一）大底盘多塔楼高层结构的地下室设计问题

“多塔楼结构”是在裙楼或大底盘上有两个或两个以上塔楼的结构。仅在地下室连为整体的多塔楼结构就是其中的一例。这种结构在进行结构大底盘部分的内力分析时必须整体计算，但由于塔楼的侧向刚度相对于大底盘的侧向刚度来说比较小, 当各塔楼间距离大于2倍“相关范围”间距时，上部单个塔楼在水平地震力作用下对于离塔楼位置较远的大底盘构件产生的影响就比较小,所以该种情况下对于大底盘的构件内力可以不考虑由于上部多塔楼的存在而对大底盘产生的复杂影响，上部各塔楼可以分开单独计算；但当各塔楼间距离小于2倍“相关范围”间距时，特别是相邻楼在本楼的“相关范围”内时，相互间的影响就不可忽略，此种情况宜按多塔楼结构校核，二者取最不利组合。高层建筑设计规程中并未把仅带地下车库的多塔楼结构归为复杂高层建筑，但此类建筑的地下室顶板宜参照《高规》复杂高层结构多塔楼部分的相关规定设计。另外，中国建筑科学研究院结构所等单位的试验研究和计算分析亦表明，多塔楼结构振型复杂，且高振型对结构内力的影响大，当各塔楼质量和刚度分布不均匀时，结构扭转振动反应大，高振型对内力的影响更为突出。虽然地下室连为整体的多塔楼不属于复杂高层结构，但也应在进行设计时，考虑上部各塔楼的层数、平面和刚度宜接近，塔楼对底盘宜对称布置，减小塔楼和地盘的刚度偏心。

从结构设计的角度来讲，当大底盘地下室顶板与室外高差不太大（一般不宜大于本层层高的1/3），地下一层相关范围与首层侧向刚度比不宜小于2，地下室周边有与地下室顶板相连的抗震墙等时地下室顶板可作为上部塔楼的嵌固端。此时地下室顶板上部各塔楼在水平及竖向荷载作用下是相互独立的，结构内力计算可以分开进行。但地下室顶板应采用板厚不小于180mm，宜双层双向配筋，每个方向的配筋率不宜小于0.25%，地下室顶板上下层楼板应加强构造措施来进行整体设计。

当大底盘地下室顶板不符合上述条件时，地下室顶板不宜作为上部结构的嵌固部位，嵌固部位应下移。

车库与主楼负一层底板的高差高于普通梁高（此数一般宜小于500mm）时，错层较大，同时作为住宅来说，地下室墙体基本就是地上墙体下延，要使地下一层相关范围与首层侧向刚度比不宜小于2，难度较大，综合分析考虑，两层地下室顶板均不符合作为嵌固端的条件，计算嵌固端取至基础顶，但负一层顶板在实际受力时具有一定的嵌固作用，这种情况要如何解决才能保证其安全性呢？

以本工程14#楼为例，车库顶板与主楼负一层底板的高差达到1300mm，车库顶板上覆土实际作为种植土并不能达到嵌固的条件，地下一层相关范围与首层的侧向刚度比为X向为1.8倍，Y向1.4倍，均小于2倍，地下一层与地下二层刚度接近。地下室顶板不满足作为嵌固端的条件，所以本工程取基础顶作为上部结构的嵌固端。实际设计时考虑车库及顶板上填土对结构的存在约束作用，地下室顶板有一定的嵌固作用，计算模型取地下一层顶板作为嵌固端作为模型一，取基础顶作为嵌固端作为模型二，

取两个模型的最不利组合进行加强区竖向构件的设计。两个模型底部计算结果如下表：

此外，本工程设计还有如下几点需要注意：

1、本工程加强区从室外地坪向上取底部二层及结构总高1/10两者的较大值，向下延伸至基础顶为加强区高度，约束边缘构件向上延伸一层；

2、当只在地下室设置挡土墙或通长混凝土墙体，而相同位置地上部分为普通剪力墙时，此位置处剪力墙的边缘构件应根据地上剪力墙的轴压比确定是否设置约束边缘构件；

3、两层地下室顶板按《高规》3.4.3条采用梁板结构，板厚均不小于160mm，宜双层双向布置。

4、地下二层顶板与车库顶板存在楼板错层，传力途径中断，地下一层墙体平面外受力等复杂受力情况，此时地下一层墙体按错层结构的相关要求进行加强纵筋、边缘构件箍筋设计；在车库框架梁与主楼墙体相交处设计扶壁柱（按计算配筋），增强主体外墙平面外刚度，提高墙体平面内外承载力；在高差范围内设置剪力墙暗梁，提高墙体的抗扭能力等措施来保证地震力的传递。保证计算模型的真实性。

然，在结构设计中,无论何种情况，都需要进行整体模型计算来进行基础等构件的设计

（二）大底盘多塔楼高层结构的沉降问题

1)高层建筑的沉降计算

城市的发展，建筑物高度越来越高，基底重量越来越大，如果此时沉降计算时仍然采压力段为100Kpa~200Kpa的固定压力段下压缩模量值进行沉降计算必然会引起沉降计算的误差，同时考虑到地基变形的非线性性质，因此实际计算时应采用不同高度房屋实际压力段下的Es值计算。

以14#楼为例。本工程为地上18层住宅，地下二层储藏室，基础底面土的自重压力为18.8x7.8=146.64Kpa,基底压力为280Kpa,附加压力为133.36Kpa。根据《建筑地基基础设计规范》采用“土的自重应力“至”土的自重应力与附加应力之和“的压力段下的压缩模量进行计算，基础平均沉降量为54.26mm，与本地的实测值基本吻合。

2）高层建筑与车库间的沉降差

车库基础底标高处原有土的自重应力为18.8x7.4=139.12Kpa,离主楼最近点处（柱距主楼外墙边距离为6100mm）柱下独立基础基底压力为204KPa，附加应力为204-139.12=64.88Kpa,采用100Kpa~200Kpa压力段下压缩模型计算得车库沉降量为18.13mm。与主楼的沉降差54.26-18.13=36.13mm，大于规范要求

为解决沉降差异对主楼及车库带来的不利影响，工程设计时采取了以下措施: 1）本工程为中压缩性土层，预估施工期间完成的沉降量为最终沉降量的30%,即主体完成时主楼与车库的沉降差为54.26x0.3-18.13x0.3=25.29mm。设计时采取在主楼周边第一跨的车库范围内设置沉降后浇带，待主楼主体完成且沉降稳定后封闭沉降后浇带；2）考虑剩余沉降差虽然仍大于规范0.003*6100=18.30mm的要求，但相差较小，设计时采取沿主楼周边设置扶壁柱，与车库框架梁形成完整的框架体系，梁端配置因差异沉降增加的负弯矩筋来抵抗此不利影响。

根据沉降观测资料显示：本工程主体完成时的实际沉降量为21mm，为计算最终沉降量的38.7%，与预估值基本吻合。本工程目前已投入使用，主楼及车库现状完好。

（三）大底盘多塔楼高层结构的超长问题

针对这种超长结构，采取了如下措施：1、间隔30m~40m设置一道温度后浇带2、采用低强度混凝土（不超过C35）；采用低水化热的水泥； 3、加强施工养护等。本工程已投入使用，未发现明显的温度裂缝，收到业主好评。

四、学习体会

高层建筑设计时，嵌固端的选择是结构设计中的一个重要假定。嵌固端的正确选择对结构计算的真实性及准确性有很大影响，而且关系到结构局部的经济性。在地震作用下为保证结构塑性铰能在预期部位出现，建筑在结构设计前应正确选择结构嵌固端所在的位置。同时为保证剪力墙底部出现塑性铰后具有足够大的延性，塑性铰区即“底部加强部位”的设计就成为整个建筑物设计的重中之重。

此外，影响高层建筑设计的另一个重要因素是地基的变形。地基基础变形过大，可能影响正常的生产或生活，给人们带来安全隐患，影响人们的心理状态。因此正确计算地基变形亦至关重要。其中影响地基变形计算的一个重要参数就是土层的压缩模量。变形计算时，不应一律采用固定压力段下的压缩模量值进行计算，应采用实际压力段下的压缩模量值进行计算，只有这样才能避免因压缩模量取值不当引起的沉降计算的误差，使计算值更能真实反映实际变形情况。

大底盘高层、超高层建筑越来越多，为实现结构“安全经济”的设计理念，是每个结构工程师共同的责任。

参考文献

高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）

建筑抗震设计规范（GB50011-2010）

建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）

北京市建筑设计技术细则（结构专业）

PKPM系列新规范设计软件SATWE、JCCAD应用指南（08版），中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所