高层建筑多层地下室结构设计浅谈.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 06 日 作者简介：周永浩（1991），汉族，广西玉林人，大学本科,职务职称：结构工程师。研究方向为建筑结构设计。-25-高层建筑多层地下室结构设计浅谈 周永浩 南宁市建筑规划设计集团有限公司，广西 南宁 530000 摘要：摘要：地下室建设具有材料消耗大、建设周期长、施工工艺复杂、在整个工程总投资中占比高等特点，因此地下室结构设计是否合理不仅关系到工程的稳定性与安全性，还关系到工程的成本控制。笔者结合设计经验对高层建筑地下室结构设计中上部结构嵌固端位置、纯地下室结构布置、基础设计原则等几方面展开讨论，力求在满足结构稳定性和安全性的基础上降工程项目的建设成本，获得良好的工程效益和社会效益。关键词：关键词：地下室；结构嵌固端；结构布置 中图分类号：中图分类号：TU974 0 引言 近年来，我国城市化发展进程的不断推进，人民生活水平的不断提高，高层建筑设置地下室既能充分利用地下空间满足各类设备用房和车位的设置需求、节约土地资源，也便于利用地面空间设置公共活动场所和园林景观，提升建筑整体品质。设置地下室可也满足结构设计中对于基础埋深的要求，挖去的土重可降低基础底部的附加应力，而且由于地下四周土体提供的约束作用可以减少结构的倾覆和滑移，可谓一举多得。1 嵌固端的位置对工程的影响 1.1 对嵌固端的理解 嵌固端限制上部结构在水平方向的平动位移和转动位移，并且将上部结构的剪力全部或大部分传递给下部结构。现阶段我国主要采取“三水准、二阶段”的抗震设计方法，主要依靠结构构件屈服后的弹塑性变形能力来消耗地震作用的能量。现行的设计规范通过采取内力调整等措施使预期出现的塑性变形区出现在嵌固端的顶部，再通过构造加强措施确保塑性变形区具备滞回变形能力，达到塑性耗能的目的。再者，结构计算分析的过程中也需要通过确定嵌固端，得到清晰准确的计算模型，进行内力分析、配筋设计及规范指标判定。1.2 嵌固端位置的合理选择及经济性影响 常规项目一般将地下室顶板作为上部结构的嵌固部位，此时需满足建筑抗震设计规范第 6.1.14 条的基本要求如：“避免在地下室顶板开设大洞口；采用现浇梁板结构，楼板厚度不宜小于 180mm，且双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于 0.25%，混凝土强度等级不宜小于 C30”。看似规范对于嵌固端提出了严苛的要求，但结合工程实际需求来看，首先，为了符合政府规划部门对于建筑绿地指标有的要求和为了满足室外场地对于排水及综合管网排布的条件地下室顶板处通常需要需设置一定厚度的覆土，其次地下室顶板往往需要布置消防车道、消防扑救场地以及园林景观。在满足上述诸多荷载的承载力极限状态和正常使用极限状态的情况下，对于楼板配筋起控制作用的往往是计算要求而非 0.25%的构造配筋率，可以说地下室顶板作为嵌固端是具备得天独厚的条件的。此时地下一层以下部分的楼板可根据具体的荷载分布情况选用合适的板厚即可，无需采取额外的构造加强措施。当以地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，规范要求相关范围内地下室结构的侧向刚度大于相邻的上部结构侧向刚度的两倍，一般情况下地下室四周设置混凝土墙，很容易满足嵌固端对于刚度比的要求，所以多数情况下都是以地下室顶板来作为计算嵌固端。但在设计多层地下室时中会偶尔遇到地下一层与地上一层刚度比不满足作为计算嵌固端的情况，此时若地下二层与地上一层的刚度比满足规范要求，可将地下二层的顶板作为计算嵌固端，否则应考虑将嵌固端继续下移。以地下二层作为嵌固端时应满足建筑抗震设计规范6.1.14 条对楼板厚度、混凝土等级及配筋率等措施要求。但应注意到高规E.0.1 中对于等效剪切刚度比计算中是不考虑地下室四周土体的约中国科技期刊数据库 工业 A-26-束作用的。在实际工程中，地下结构四周土体对抗测刚度的贡献很大，在考虑土体约束作用后，地下一层与地上一层的实际刚度比多数情况下是满足嵌固端刚度比的要求的，在进行结构设计时应当考虑地下室顶板对上部结构的客观存在的嵌固作用。从经济性的角度考虑，此时顶板厚度可适当降低至不小于 160mm，但从概念设计的角度考虑，建议仍应满足规范中对于混凝土等级和最小配筋率的要求。当地下室顶板作为上部结构嵌固端时，地下一层相关范围内的构件抗震等级与上部结构相同，地下一层以下的抗震构造措施的抗震等级可逐层降低一级，不低于四级即可。倘若地下室顶板不满足嵌固端的要求，需将计算嵌固端下移至地下二层顶板时，地下一层与地下二层相关范围内的构件抗震等级均需要与上部结构相同，地下二层以下的抗震构造措施等级才可降低。同时由于高层建筑一般采用剪力墙结构、框架剪力墙等结构，无论地下室是否可以作为上部结构的嵌固端，其底部加强部位在地下室顶板以上的高度是固定的，当地下室顶板不能作为嵌固端时，其剪力墙的底部加强区需要延伸至计算嵌固端。可见计算嵌固端选取位置不同，则需采取加强措的范围也不相同。综上所述，以地下室顶板作为嵌固端结构概念清晰，结构计算假定与工程实际贴切，无论是从地下室顶板的使用功能角度考虑亦或是从需加强的构件数量来讲说，以地下室顶板作为嵌固端都是最经济合理的选择。1.3 地下室结构布置 在经济全球化的发展过程中，人类社会对地下建筑物的高度、形式以及使用效率的要求越来越高，建筑的不断升级、建筑总高度不断的突破使结构的布置形式越来多样化。作为结构工程师，在选择建筑结构形式时候，除了考虑建筑的安全性以外，还需要考虑到对其他设计专业的影响、建筑设计师的设计意图以及技术的可行性等方面；同时也需要考虑社会效益、施工经济性、使用舒适性等方面。下面笔者对地下室部分常见的几种柱网布置及相应的楼盖形式结合上述考虑因素对其展开讨论：2 地下室柱网布置：设计地下室时，结构柱网的合理性直接影响地下室车位布置利用率，柱网宜确保满足停车需求的前提下又不造成地下空间的浪费。(1)大柱网：作为地下室经典柱网尺寸，以柱距 7.88.1 米乘7.88.1 米为代表的大柱网，以其视野开阔，停车位布置具有一定的经济性与舒适性等优点，被广泛的应用于各类高档商、住地下车库中。但由于地下室顶板存在覆土及消防车荷载，为满足计算需求，大柱网的梁柱截面尺寸偏大，对建筑层高要求高。多层地下室的底板往往需要抵抗一定水浮力。大柱网由于抗浮底板计算跨度大，其需要的底板厚度及用钢量都会增加，综合经济性稍差。（2）小柱网 为进一步压缩地下室层高，有效减少土方、边坡支护工程量，小柱网布置形式也常常出现在地下室设计中。得益于其构件计算跨度小的优势，相同的荷载作用下其结构构件需要的计算截面尺寸更小，设备专业布置管网限制小，相同的使用净高下总层高更小，有利于控制造价；但代价是小柱网空间感受上比较压抑，空间灵活性较差。（3）大小混合柱网：大小柱网综合考虑了上述两种柱网布置的优缺点改进而来，一般情况下停车场部分采用大柱网，地上裙楼、塔楼延伸部分根据上部功能分别采用大小柱网结合布置。这样的混合柱网布置下，建筑功能设计、设备管网走线能够更合理、更具灵活性。或许这样的结构布置在经济上不是最优解，但是在综合效益上具有较大的优势性。3 地下室楼盖布置形式：柱网尺寸确定后，在不同荷载水平下，最优的楼盖结构形式也有所不同。地下室楼盖结构形式有大板、主次梁、十字次梁、井字梁、无梁楼板和空心密肋楼盖等。(1)无梁楼盖体系 无梁楼盖体系传力简单直接，在相同层高下可获得最大的地下室使用净高，在层高较低情况下对设备管线布置限制较小，在空间表达上使得地下室的空间感更为舒适、开阔。与梁板体系相比，无梁楼盖体系的支模要简单许多，因此其人工成本及施工工期等方面具有一定优势。另外，由于该楼盖体系需要的层高最小，在硬质岩等挖方成本较高的地区，采用无梁楼中国科技期刊数据库 工业 A-27-盖也可作为有效降低综合建造成本的措施之一。但由于无梁楼盖体系的承载力冗余度低，对荷载超载敏感，近年来因施工覆土超载导致的地下室顶板坍塌事故频发，因此目前主要在地下室顶以下部分楼盖使用。(2)主梁大板（加腋）楼盖体系 首先，主梁大板体系的荷载近似按均布荷载形式传递，在相同的竖向荷载作下其主梁的截面尺寸会优于按传统的主次梁形式布置的楼盖体系，在满足地下室净高的前提下可更好的控制地下室层高，方便设备专业布置管线；其次，大部分地下室顶板室外部分由于考虑覆土及刚性防水等因素，楼板板厚一般不小于250mm，采用主梁大板体系可充分利用厚板的构造需求，发挥其性能优势，在荷载偏大的情况下还可通过采取楼板加腋措施在空间上可以形成双向拱壳作用，有效降低楼板跨中弯矩。主梁大板楼盖体系的空间使用感受较好，施工便利性适中，综合造价经济性适中。是目前地下室顶板采用大柱网方案时的主流楼盖体系。(3)主次梁楼盖体系：主次梁楼盖因其通过次梁传递集中荷载至主梁的传力方式，导致该方案相较于其他楼盖的主梁梁高偏高，地下室层高控制难度大，虽然其承载能力冗余度大，但由于对建筑设计、设备设计限制较大，模板及钢筋绑扎工程量大，经济性上并无太大优势。因此近年来也逐渐被主梁大板（加腋）方案取代。4 高层主楼带多层地下室的基础设计 基础是建筑物的重要组成部分，它承受建筑物的上部荷载，并将这些荷载传给地基。由于高层主楼荷载很大，而纯地下室部分荷载较小，二者荷载的显著差异也决定了设计时不仅要考虑基础和地基的强度与稳定性，还应当注意主楼与地下室的地基变形差异，采取有效措施控制不均匀沉降。因此笔者从地基“强度”与“变形”的角度，浅述几点高层建筑带多层地下室的基础设计注意事项。4.1 确定地基承载力。地基承载力特征值 fa 应按建筑地基基础设计规范式（5.2.4）计算确定，多层地下室部分采用独立基础或条形基础的情况，按公式计算时的其“基础埋置深度 d”应自室内地面算起。实际设计时可直接按照规范要求执行即可，但应当引起注意的是地下室部分基础采用筏板基础或箱型基础等整体性较好的基础形式的情况，规范中虽然讲到此类情况的基础埋置深度可自室外地面算起，但实际执行此条时要注意纯地下室部分的基底反力平均值若小于挖去的原有土重的情况，根据土力学中的普朗德尔或太沙基地基极限承载力理论可知，地基承载力主要由两部分构成，第一部分是地基土本身的参数提供的承载力，第二部分则是由基底以上的超载产生的地基土承载力，第二部分可近似理解为规范承载力公式中深度修正部分，此时多层地下室部分产生的基底压力往往小于挖去的土的自重，若仍按照室外地面标高来考虑地基承载力深度修正，那么得到的计算承载力是有可能大于地基实际承载力，存在安全隐患。因此建议考虑将上部结构产生的基地反力平均值折算为等效埋深 de(de 不应大于自室外地面算起的基础埋深)，以等效埋深来考虑承载力深度修正。4.2 主楼与纯地下室部分沉降差控制。正如“地基承载力特征值”所代表的含义一样，基础设计不仅是简单的荷载效应与抗力的问题，其中也包含了变形控制的要求。高层主楼带多层地下室时，高层主楼与地下室不分上部结构荷载差异较大，交接处及相邻若干跨内将产生较大的沉降差异。目前为降低沉降差异带来的影响主要有以下处理措施：4.2.1 设置沉降缝 沉降缝可有效降低主楼与地下室的沉降差异危害，但在地震区，分缝处两侧建筑因相互碰撞带来的损坏亦不容小觑，且考虑到分缝处防水处理等因素，近年来高层建筑与多层地下室整体设计中不设沉降缝的趋势愈加明显。4.2.2 调整主楼与纯地下室的沉降差异 一般情况下，当建筑场地为中密以上砂类土或砂卵石等压缩模量和承载力特征值均较高的作为持力层时，若此时主楼与纯地下室部分的基础沉降差偏大，主楼宜采用整体性较好的基础比如筏板基础或箱型基础，并通过适当扩大主楼部分基础的外挑尺寸减小平均基底附加压力将主楼沉降量最大限度降低，而地下室部分则宜尽量采用柱下独基或条基以增大其沉降量，通过此消彼长来调整二者的沉降差。往往多层地下室通常需考虑水浮力作用，此时建议采用独基+防水板的计算模型。此类计算模型考虑由独基部分承担防中国科技期刊数据库 工业 A-28-水板的自重及板上荷载（通过在防水板下增设软垫层实现）。目的是加大纯地下室部分的基底附加应力，进一步缩小主楼与纯地下室的沉降差异。而当主楼部分地基承载力不足需要进行 CFG 桩地基处理时，为降低主楼与纯地下室部分的沉降差，建议采用变刚度调平的设计方法，既主楼部分通过加长加密 CFG 桩布置来增强地基的支撑刚度，而纯地下室部分则宜采用天然基础或采用较疏短的 CFG 桩布置。4.2.3 设置沉降后浇带。经过计算调整后，还可通过施工顺序来减少沉降差，比如可以预留沉降后浇带，先施工上部主楼并注意沉降观测，待主楼接近封顶后再施工纯地下室部分，且应结合沉降观测数据，待沉降趋于稳定后再进行后浇带的封闭施工。5 结语 高层建筑地下室的结构设计绝不是生搬硬套规范条文进行建模计算，而应该是在正确的概念的引导下，采用符合工程实际的结构分析理论与基本假设，加强对薄弱环节的审核与判定，以确保整体结构的稳定性和耗能作用的发挥，综合考虑结构的材料利用率、构件尺寸的合理性和施工成本，在满足安全可靠的前提下去实现建筑的功能性与经济性的协调统一。参考文献 1朱炳寅.建筑结构设计问答及分析.第三版.M.北京:中国建筑工业出版社,2017.2傅裕寿.土力学与地基基础.M.北京:清华大学出版社,2009.3周新浩刘雪.高层地下室结构设计浅析J.百科论坛电子杂志,2019(8):68.4张剑峰.高层建筑地下室结构设计浅析J.城乡建设,2010(8):78.5陈辉.浅析高层建筑地下室结构设计J.商品与质量建筑与发展,2014(4):16-16.