地下室结构设计的问题及解决措施探讨

摘要：本文介绍了地下室结构设计中常出现的问题，在问题的基础上得出总结，并提出了相应的处理措施。

关键词：高层建筑；地下室；结构设计；后浇带；外墙

1地下室结构设计问题

1.1地下室结构平面设计

地下室工程涉及的专业极为复杂，高层建筑的地下室结构设计，需综合考虑防火、使用功能、人防要求、设备用房及管道、坑道、排水、通风、采光等各专业的配合。例如地下室的长度超过设计规定的长度时，需要与结构专业配合，确定是否设置变形缝，通常应尽可能少设或不设变形缝，因为设置变形缝会使得变形缝处的防水处理变得复杂。

设计人员可以通过设置后浇带和合理使用混凝土外加剂或地上设缝、地下不设缝等方式，达到不设缝的目的。若地下室过长，依靠设置后浇带的方法难以解决，设计时可合理地调整平面，通过分割地下室，用较窄的通道相连，以满足使用及管道相连的要求，而将变形缝设置在通道处，这样可以使接缝较少且处于受力较小处，便于补救。在结构设计时应合理地设置采光通风井，若采光井位置设计不当，也会影响地下室的结构稳定功能。

1.2地下室外墙结构设计

地下室的外墙是结构设计的重点，应按水、土压力验算外墙抗裂。在设计时应注意以下要求：

(1)荷载。地下室外墙所承受的荷载分为水平荷载和竖向荷载。竖向荷载包括上部及地下室结构的楼盖传重和自重，水平荷载包括室外地面活载、侧向土压力、地下水侧向压力和人防等效静荷载。在实际工程设计中，竖向荷载及风荷载或地震作用产生的内力一般不起控制作用，墙体配筋主要由垂直墙面的水平荷载产生的弯矩确定，而且通常不考虑与竖向荷载组合的压弯作用，仅按墙板弯曲计算弯曲的配筋。

(2)地下室外墙截面设计时，土压力引起的效应为永久荷载效应。地下室外墙承受的土压力宜取静止土压力，静止土压力宜由试验确定。当不具备试验条件时，砂土可取0.34～0.45，粘性土可取0.5～0.7。水位稳定的水压力按永久荷载考虑，分项系数可取1.2；水位急剧变化的水压力按可变荷载考虑，分项系数宜取1.3。有人防要求的地下室外墙的永久荷载分项系数，当其效应对结构不利时取1.2，有利时取1.0；抗爆等效静荷载分项系数取1.0。

(3)地下室外墙的配筋计算。实际设计时，配筋的计算，对于带扶壁柱的外墙，不是根据扶壁柱的尺寸大小进行计算，而是均按双向板计算配筋；扶壁柱则按地下室结构的整体电算分析结果进行配筋，不按外墙双向板传递荷载验算扶壁柱配筋。根据外墙与扶壁柱变形协调的原理，这种设计将使得外墙竖向受力筋配筋不足、扶壁柱配筋偏少、外墙的水平分布筋则有富余量。因此，在计算地下室外墙的配筋时，对于垂直于外墙方向有钢筋混凝土内隔墙相连的外墙板块或外墙扶壁柱截面尺寸较大的外墙板块，如高层建筑外框架柱之间，按双向板计算配筋为宜，其余的外墙宜按竖向单向板计算配筋。对竖向荷载(轴力)较小的外墙扶壁桩，其内外侧主筋也应予以适当加强。外墙的水平分布筋应根据扶壁柱截面尺寸的大小，适当地配以外侧附加短水平负筋加强，外墙转角处也应适当加强。地下室外墙计算时底部为固定支座(即底板作为外墙的嵌固端)，侧壁底部弯矩与相邻的底板弯矩相等，底板的抗弯能力应不小于侧壁的抗弯能力，其厚度应与配筋量相匹配。当只有一层地下室时，墙身不能满足上部柱子荷载扩散刚性角时，在基底反力作用下墙身应按深受弯构件验算外墙的水平配筋，地下室超长时为了阻止裂缝水平筋宜适当加大，上部没有剪力墙时，顶部宜附加2根直径不小于20的钢筋，底部由于基础底板配筋较大不必另附加水平钢筋，水平钢筋间距宜不大于150mm。内外皮钢筋之间应设梅花型拉结钢筋，间距一般为600mm，人防部位应为500mm。注明钢筋的接头位置及搭接要求。外侧竖筋宜在距楼板1/3～1/4层高处接头，内侧竖筋可在楼板处；外侧水平钢筋宜在柱(隔墙)中部接头；内侧水平筋宜在柱(隔墙)处接头。当外侧竖向钢筋伸入基础底板的竖向长度不满足锚固长度时，可沿水平方向弯折，弯折后的水平长度不应小于15d。

(4)地下室底板标高的设计。地下室底板标高变化处仅设根梁，梁宽甚至小于底板的厚度，梁内仅靠两侧箍筋传递板的支座弯矩难以满足要求。地面层开洞位置(如楼梯问)外墙顶部无楼板支撑，计算模型和配筋构造均应与实际相符。

2地下室抗浮和防水问题

实际地下室抗浮设计中往往只考虑正常使用极限状态，对施工过程和洪水期重视不足，因而会造成施工过程中由于抗浮不够而出现局部破坏。另外，实际中在同一整体大面积地下室上建有多栋高层和低层建筑，而地下室面积大，形状又不规则，加之局部上方没有建筑，此类抗浮问题也相对比较难以处理，须做细致分析处理。对于具有大底盘地下室的高层建筑群体而言，塔楼部分一般在使用阶段不会存在抗浮问题，但裙房及纯地下室部分经常会有抗浮不满足要求的问题，针对此种情况，作者总结出了以下措施。

(1)确定科学合理的抗浮设防水位。目前，地质勘查单位提供的岩土工程勘查报告中对地下水水位提出了指标：就是拟建场地历史最高水位；近3～5年最高水；勘查时的实测静止地下水位。确定地下室抗浮设防水位时应根据设计规范中确定的原则防水要求严格的地下室，其设防水位可按历年最高地下水位；对防水要求不严格的地下室其设防水位可参照近3～5年最高水位及勘查时的实测静止地下水位。

(2)底板抗浮计算时，应按《荷载规范》GB50009-2001（2006年版）第3.2.5条规定，考虑荷载分项系数；当抗浮水位是由勘察单位综合考虑各种不利因素后确定的水位时，建筑物自重(不包括活载)及水浮力的分项系数取1.05，建筑物自重与水浮力的比值不应小于1.05；当有地下水影响时尚应考虑水位最高或最低时的情况。

(3)在建筑允许的情况下，尽可能提高基坑坑底的设计标高，间接降低抗浮设防水位。具体措施可采用平板式筏板；楼盖提倡使用宽扁梁或无梁楼盖；增加基础配重：增加地下室顶板的厚度等方法。

(4)地下室防水设计是一项十分重要的工作，甚至是决定地下室设计成败的关键。在防水设计时，应根据工程的性质、使用要求和重要性等合理确定防水等级，根据防水等级确定防水层数。无论防水等级为几级，地下室混凝土都应采用结构自防水混凝土，防水混凝土的抗渗等级应根据水头高度与混凝土壁的厚度比确定，不得人为地自行降低。

3地下室抗震设计问题

若地下室设计不当，对其整体的抗震性能会产生较大的影响。根据施工图审查要点，对于半地下室的埋深要求应大于地下室外地面以上的高度，才能不计算其层数，总高度才能从室外地面算起。地下室的墙柱与上部结构的墙柱应协调统一。对地下室顶板室内外板面标高变化处，当标高变化超过梁高范围时则形成错层，应采取一定的措施进行处理，否则不应作为上部结构的嵌固部位。相关规范明确规定，作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶楼盖应采用梁板结构，地下室顶板为无梁楼盖时不应作为上部结构的嵌固部位。结构计算应向下计算至满足嵌固端要求的地下室楼层或底板，但剪力墙底部加强区层数应从地面往上计算，并应包括地下层。

根据《高规)JGJ3第4.8.5条规定，当地下室顶板作为上部结构的嵌固层时，地下一层的抗震等级应按上部结构采用，地下一层以下的结构抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。因此存在的常见问题如：①当上部抗震等级为特一级，地下一层隔墙为上部结构落地剪力墙时，根据《高规》第4.9.2条规定：取地上一层剪力墙墙底截面组合弯矩计算值的1.1倍作为地下一层隔墙的弯矩设计值；取地上一层剪力墙底部地震作用组合的剪力计算时的1.9倍作为地下一层隔墙的剪力设计值；地下一层内隔墙的水平和竖向分布钢筋的最小配筋应为0.4%。②半地下室埋深不够，地下室抗震等级为三级，而上部结构为二级，按GB50011―2001第6.1.3条地下室也应为二级等问题。③根据GB50011―2001建筑抗震设计规范第6.1.14条规定：当地下室作为上部结构的嵌固端时，地下室结构的楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的2倍。④地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积，除应满足计算要求外，不应小于地上一层对应柱每侧纵筋面积的1.1倍。

4地下室裂缝控制问题

地下室外墙混凝土易出现收缩，受到结构本身和基坑边壁等的约束，产生较大的拉应力，直至出现收缩裂缝，规范要求，地下室外墙裂缝宽度应该控制在0.2mm之内，其配筋量往往由裂缝宽度验算控制。而实际工程中，许多设计将地下室防水结构构件的计算弯矩调幅、有的下端按铰接、有的未考虑荷载分项系数、多层时未按多跨连续计算，地下室外墙在计算中漏掉抗裂性验算(违反GB50108―2001第4.1.6条)，地下室外墙与底板连接构造不合理，建筑物超长未设缝或留置后浇带(违反GB50010―2002第9.1.1条)，后浇带的位置设置不当，外墙施工缝或后浇带详图未交代，室外出入口与主体结构相连处未设沉降缝等，导致违反设计规范，产生渗漏现象。

所以条件可能时，对地下室整体超长结构应按《混凝土规范》第9.1.1条规定设置伸缩缝。同时，规范第9.1.3条规定；如有充分依据和可靠措施，规范第9.1.1条规定的伸缩缝间距可适当增大。减少温度或收缩应力的主要措施有：

(1)采取专门的预加应力措施或补偿收缩混凝土：即布置预应力钢筋或在混凝土中掺加适当的UEA，HEA等微胀剂，以预加应力值、混凝土的膨胀值减去混凝土的最终收缩值的差值不小于混凝土的极限拉伸即可控制裂缝。

(2)膨胀加强带：由于混凝土中膨胀剂的膨胀变形不会与混凝土的早期收缩变形完全互补，为了实现混凝土连续浇筑无缝施工而设置的补偿收缩混凝土带，根据一些工程实践，一般超过60m设置膨胀加强带。

(3)混凝土浇筑采用后浇带分段施工：作为混凝土早期短时期释放约束力的一种技术措施，对防止较长久性变形缝已有很大的改进并广泛应用。后浇带通常每30～40m设一道，宽度800～1000mm，钢筋应断开搭接，待主体所有内外墙砌筑完毕60d后用高一级的混凝土浇筑，底板较厚时可分层(每500mm)浇注。

(4)采用细直径密间距的配筋方式、适当提高配筋率，减少温度应力的影响：提高钢筋混凝土的抗拉能力，混凝土应考虑增加抗变形钢筋，对于侧壁，增加水平温度筋，在混凝土面层起强化作用。侧壁受底板和顶板的约束，混凝土胀缩不大，可在墙体中部设一道水平暗梁抵抗拉力。

(5)采用低热或中热的矿渣、火山灰、粉煤灰混凝土技术，充分利用混凝土60～90d的后期强度，加强施工养护，减小混凝土收缩。

5地下室保护层和垫层厚度问题

GB50108―2001地下工程防水技术规范对防水混凝土结构规定结构厚度不应小于250mm，裂缝宽度不得大于0.2mm，并不得贯通，迎水面钢筋保护层厚度不应小于50mm；对于防水混凝土结构底板的混凝土垫层，其强度等级不应小于C15，厚度不小于100mm，在软弱土层中不应小于150mm。

6地下室结构超长与不均匀沉降问题

(1)地下室结构超长问题存在的普遍性可以从以下几个项目中略见一斑：地下结构虽然受温度变化的影响较地上结构小，但周边的约束作用较强，结构超长问题的重要性仍然不容忽视。目前比较成熟的做法有以下几种：设置伸缩后浇带。地下结构一般在结构长度大于40～60m时宜设置一道伸缩后浇带，普通的伸缩后浇带宽度约为800～1000mm。当地下结构的超长问题不是特别突出时，为了简化施工工艺，也可以采取不设置伸缩后浇带，采取减少温度或收缩应力措施，或者两种以上的主要措施并用的方法。

(2)不均匀沉降问题对于大底盘高层建筑群而言是一个必须面对而且必须得到很好解决的问题，除非该建筑群直接坐落在坚硬的岩石地基上。高层主楼和低层裙房由于荷载差异很大，两者的不均匀沉降是肯定存在的，设计中应根据工程的具体情况、场地地下水、岩土的物理力学性质、预估(包括采用合适的计算方法或经验)不设沉降缝时两者的差异沉降和经济性，综合分析比较，确定采用什么方案和处理措施。

常用的方案有以下几种：

方案一，采用大底盘变厚度筏基，沉降后浇带设在距主楼边柱的第一跨或第二跨内；位置设在与主楼相邻的第二跨的1/3跨间处时，可以充分利用裙房基础来扩散主楼的荷载，降低主楼的基底压力和减小主楼的绝对沉降值；当主楼下持力层为较好的砂卵石层或经过处理，底板变厚度的位置也可设在与主楼相邻的第一跨的1/3跨间处；

方案二，高层采用整体筏基；低层裙房采用独立基础或加防水板或交叉地基梁；

方案三，对高层主楼下地基进行地基处理(采用复合地基)，低层裙房下采用天然地基，从而控制两者的差异沉降在设计允许范围内；

方案四，对高层主楼和低层裙房均采用桩基，通过调整两者桩径、桩长等来控制两者的差异沉降在设计允许范围内；

方案五，在高层主楼和低层裙房之间设置沉降后浇带，待两部分沉降差符合设计要求，再浇筑后浇带。

上述处理措施可采用其中的一种，也可采用两种或多种。

7结语

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，最后达成设计要求。