高層地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計時的一些常見問題的分析及解決

1、高層地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計時的一些常見問題的分析及解決 摘要：隨著城市發(fā)展的需求，現(xiàn)代高層建筑由于技術(shù)、經(jīng)濟、使用等各方面的因素，一般都設(shè)有大底盤地下室，通常為12層，隨著建筑物高度的不斷增加，地下室的層數(shù)也隨之增加。人們對地下空間需求的不斷增長，致使裙房的底盤面積在增加。地下工程在整個建設(shè)項目中所占的比重越來越大。由于地下工程材料消耗大、建造周期長、施工難度大，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞將會對整個項目的設(shè)計周期、施工工期以及建造費用產(chǎn)生巨大的影響。另外，地下室結(jié)構(gòu)的設(shè)計也比較復(fù)雜，主要技術(shù)問題有：地基承載力及變形問題、抗浮問題、不均勻沉降問題、結(jié)構(gòu)超長問題、基礎(chǔ)型式的選取和計算方法問題、人防設(shè)計等等；這里僅

2、對地下室設(shè)計中遇到的常見問題進行分析，并給出對策措施，簡要分析地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計中的技術(shù)、經(jīng)濟問題及其相互關(guān)系。 關(guān)鍵詞：抗震等級和嵌固端 抗浮 不均勻沉降 裂縫 保護層1. 抗震等級和嵌固端問題地下室如果設(shè)計不當，對整體抗震性能會產(chǎn)生較大影響。地下室頂板室內(nèi)外板面標高變化處，當標高變化超過梁高范圍時則形成錯層，未采取措施不應(yīng)作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，規(guī)范明確規(guī)定作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的地下室樓層的頂樓蓋應(yīng)采用梁板結(jié)構(gòu)，地下室頂板為無梁樓蓋時不應(yīng)作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位。建筑抗震設(shè)計規(guī)范第6.1.3條規(guī)定：當?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固部位時，地下一層的抗震等級應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)相同，地下一層以下抗震構(gòu)造措施的

3、抗震等級可逐層降低，但不應(yīng)低于四級。地下室中無上部結(jié)構(gòu)的部分，抗震構(gòu)造措施的抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或四級。因此，要合理確定地下室的抗震等級，必須首先解決嵌固端是首要問題，下面對嵌固端進行如下分析和設(shè)計：1）嵌固部位的剛度比要求：PKPM計算時宜采用剪切剛度比或地震力與相應(yīng)層間位移比的計算方法第 1 頁 共 7 頁（剪切剛度比較嚴格），當?shù)叵率沂巧喜慷嗨堑拇蟮妆P（無裙房）的，擬將地下室頂部作為嵌固端的條件是：大底盤地下室的整體剛度與所有塔樓的總剛度比不應(yīng)小于2，每棟塔樓有效影響范圍內(nèi)的地下室（塔樓周邊外擴與地下室高度相等的水平長度）剪切剛度與相鄰上部塔樓的剪切剛度比不應(yīng)小于1.5。2）

4、將地下室一層頂板作為嵌固端的構(gòu)造：（A）地下室一層的抗震等級與上部結(jié)構(gòu)相同，地下室一層以下樓層或地下室無上部結(jié)構(gòu)的部分，抗震等級可據(jù)具體情況采用三級或更低等級。SATwe可任意指定各類構(gòu)件的抗震等級和材料的強度等級。（B）地下室頂板與室外地坪的高差宜小于本層層高的1/3。（C）地下室頂板應(yīng)采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)。頂板不應(yīng)開大洞，板厚度不宜小于180，砼強度不應(yīng)小于C30，雙層雙向配筋，每個方向每層配筋不宜低于0.25%。（D）地下室柱截面每側(cè)縱向鋼筋面積，除應(yīng)滿足計算要求外，不應(yīng)少于地上一層對應(yīng)柱每側(cè)縱向鋼筋面積的1.1倍。注意軟件不能實現(xiàn)該項要求，設(shè)計人員可在施工圖設(shè)計時將鋼筋放大系數(shù)取為1.1，

5、增加的鋼筋不應(yīng)向上延伸，可錨固在地下室頂板的框架梁內(nèi)。（宜采用增加縱筋根數(shù)的方法）（E）地下室頂板的框架梁應(yīng)有足夠的抗彎剛度，頂板梁柱節(jié)點左右梁端實際受彎承載力之和不宜小于上下柱端實際承載力之和。SATWE可按照此要求進行設(shè)計內(nèi)力調(diào)整。（F）地下室一層的剪力墻應(yīng)作為加強區(qū)配置約束邊緣構(gòu)件，地下一層以下可以不加強。SATwe設(shè)有選項“剪力墻加強區(qū)起算層號”，通過該項可以指定剪力墻的加強區(qū)包括地下室一層。3）將地下室其他樓層作為嵌固端的條件：如地下室頂板開大洞，地下室頂板與室外地坪的高差大于本層層高的第 2 頁 共 7 頁1/3，或地下一層為墻體較少的汽車庫時，不能滿足地下室頂板作為結(jié)構(gòu)嵌固端的要

6、求時，可將嵌固端下移到地下室其他樓層或地下室底板。尚應(yīng)滿足以下要求：（A）地上一層往下各樓層的剪切剛度應(yīng)遞增，且嵌固端樓層的剪切剛度應(yīng)大于地上一層剪切剛度的2倍。（B）地下室底板（基礎(chǔ)）剛度較大時，例如為箱型、筏形基礎(chǔ)等，其地下室底板可作為嵌固端。4）地下室嵌固端的設(shè)計步驟（A）將地下室與上部結(jié)構(gòu)作為一個整體計算，嵌固部位可暫定在底板處，若采用地震力與相應(yīng)層間位移比的計算方法，應(yīng)將“地下室層數(shù)”設(shè)為0或?qū)ⅰ盎靥钔翆Φ叵率壹s束作用的相對（彈簧）剛度比”設(shè)為0，進行第一次計算，考察結(jié)果：如有剛度比大于2的，可將該層頂板作為嵌固端。若沒有剛度比大于2的，需要時改進設(shè)計增加該層地下室的側(cè)向剛度重新計算

7、，或?qū)⒌装遄鳛榍豆潭恕＃˙）設(shè)定回填土的約束剛度比。如地下室滿足嵌固條件，“回填土對地下室約束作用的相對（彈簧）剛度比”填為負數(shù)m。如地下室各層均不滿足嵌固條件，一般將嵌固端設(shè)在基礎(chǔ)底板處，并根據(jù)回填土的約束剛度的大小填15之間的正數(shù)，按彈簧剛度法計算。（C）采用剪切剛度比法時剪切剛度比僅與結(jié)構(gòu)本身構(gòu)件剛度有關(guān)，與回填土等因素?zé)o關(guān)。2. 抗浮問題蘇州地區(qū)地下水位一般比較淺，雨水較多，對于地下室層數(shù)在12層的高層建筑而言，一般在使用階段應(yīng)該考慮存在抗浮問題。裙房及純地下室部分可能會有抗浮不滿足要求的問題。針對此種情況，應(yīng)采取以下措施：第 3 頁 共 7 頁(1).在設(shè)計允許的情況下，盡可能提高基

8、坑坑底的設(shè)計標高，間接降低抗浮設(shè)防水位。高層建筑的基礎(chǔ)底板多采用平板式筏板基礎(chǔ)和梁板式筏板基礎(chǔ)。一般而言，平板式筏板基礎(chǔ)的重量與梁板式筏板基礎(chǔ)上填覆土的重量基本相當，但后者的基礎(chǔ)高度一般要比前者高，在保證基頂標高不變的情況下，后者的基礎(chǔ)埋深要大于前者。從而相對提高了抗浮水位，故采用平板式筏板基礎(chǔ)更有利于降低抗浮水位。(2).樓蓋提倡使用寬扁梁或無梁樓蓋。一般寬扁梁的截面高度為跨度的1/221/16，寬扁梁的使用將有效地降低地下結(jié)構(gòu)的層高，從而相對降低了抗浮設(shè)防水位。(3).增加地下室的自重是解決地下室抗浮問題的一個直接有效的方法，此種方法大致有以下3種情況：增加地下室頂板壓載、基板加載、邊墻加

9、載等方法增加地下結(jié)構(gòu)物自身重量(即恒載)。這種方法的優(yōu)點是施工及設(shè)計較簡單;缺點是當結(jié)構(gòu)物需要抵抗浮力較大時，由于需大量增加混凝土或相關(guān)配重材料用量，費用增加較多。在增加基礎(chǔ)配重用以解決抗浮問題的同時又不可避免的增加了基礎(chǔ)的置深度，從而相對地提高了地下室抗浮設(shè)防水位的高度，因此它不是一種效率最高的方法。(4).延伸基板法。此種方法是將地下結(jié)構(gòu)物的基板向外延伸而形成翼板，由翼板承托覆土以抵抗上浮力。這種抗浮力可能有兩種：一種是垂直壓力和側(cè)翼壓力之和；另一種是為垂直壓力與土間摩擦力之和，要取這兩種力量中的較小者。但是，為了要延伸基板而成翼板，開挖的范圍將因而加寬，土方及使用土地面積也將因而加大，其

10、所增加的抗浮力變大。此法一般適用于不受場地限制的規(guī)模較小地下結(jié)構(gòu)物的抗浮，否則，不宜采用。在實際工程中，對規(guī)模較大的地下結(jié)構(gòu)物的抗浮，很少采用此法作抗浮措施。(5).設(shè)置抗拔樁?？拱螛妒强垢≡O(shè)計中常用的方案之一，只要條件允許，抗拔樁一般均嵌入堅硬而埋藏較淺的基巖中。由于造價及施工條件的限制，抗拔樁一般入巖不深，需要對入巖樁段部分進行樁端灌漿處理。如果上覆土層較厚，樁無法埋入基巖，那就只能全靠樁側(cè)土的表面摩擦阻力抗拔，第 4 頁 共 7 頁此摩擦阻力較小，抗浮效果不佳；若在樁端設(shè)置擴大頭，則能大大提高樁的抗拔能力。3. 不均勻沉降問題解決不均勻沉降問題大致有以下幾種方法：(1).裙房和高層建筑之

11、間設(shè)沉降縫，讓各部分自由沉降，互不影響，避免由于不均勻沉降產(chǎn)生的內(nèi)力，但實際上這樣做，給建筑的立面處理、地下室的防滲漏、基礎(chǔ)的埋置深度和整體穩(wěn)定等帶來很多困難。(2).裙房和高層建筑之間不設(shè)沉降縫，采用端承樁，將樁端置于堅硬的基巖或砂卵石層上。這樣，既滿足了地基承載力要求，又避免了明顯的沉降差。但這種方法基礎(chǔ)材料用量多，不經(jīng)濟，一般用于超高層建筑或地基持力層較差的情況。(3).在設(shè)計中不設(shè)沉降縫，而采取一定的措施，調(diào)整地基反力，盡量減少不同部分的地基反力差，從而減少沉降差。如：裙房部分采用天然地基，主樓部分采用復(fù)合地基或樁基。裙房和主樓部分采用不同的基礎(chǔ)形式，主樓采用筏基或箱基，裙房采用獨立基

12、礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)。(4)在主裙樓之間設(shè)置沉降后澆帶，鋼筋不斷，先施工主樓，待主樓封頂完成大部分沉降后，再施工裙房。兩部分沉降基本穩(wěn)定后再澆筑后澆帶。這樣，用調(diào)時間差的辦法解決了沉降差，同時又避免了設(shè)置沉降縫帶來的麻煩。4. 地下室超長問題由于建筑布局的要求，有時地下室結(jié)構(gòu)超長，多數(shù)情況下都超過了4060m。地下結(jié)構(gòu)雖然受溫度變化的影響較地上結(jié)構(gòu)小，但周邊約束作用較強，防止裂縫開展，應(yīng)采取相應(yīng)措施，目前比較成熟的做有以下幾種：第 5 頁 共 7 頁(1).設(shè)置伸縮后澆帶。作為混凝土早期短時期釋放約束力的一種技術(shù)措施，較長久性變形縫已有很大的改進并被廣泛應(yīng)用。地下結(jié)構(gòu)一般在結(jié)構(gòu)長度大于4060m時宜設(shè)

13、置一道伸縮后澆帶，普通的伸縮后澆帶寬度約為8001000mm，鋼筋貫通不切斷。對于平面尺寸特別長的地下結(jié)構(gòu)，應(yīng)設(shè)置鋼筋斷開的伸縮后澆帶，后澆帶的寬度按鋼筋搭接所需最小尺寸和必要的操作空間確定。(2).不設(shè)置伸縮后澆帶，采取其它相應(yīng)措施。主要有：補償收縮混凝土，即在混凝土中滲入UEA、HEA等微膨脹劑。以混凝土的膨脹值減去混凝土的最終收縮值的差值大于或等于混凝土的極限拉伸即可控制裂縫；膨脹帶，由于混凝土中膨脹劑的膨脹變形不會與混凝土的早期收縮變形完全補償，為了實現(xiàn)混凝土連續(xù)澆注無縫施工而設(shè)置的補償收縮混凝土帶，根據(jù)一些工程實踐，一般超過60m設(shè)置膨脹加強帶；提高鋼筋混凝土的抗拉能力，混凝土應(yīng)考慮

14、增加抗變形鋼筋，對于側(cè)壁，增加水平溫度筋，在混凝土面層起強化作用。側(cè)壁受底板和頂板的約束，混凝土脹縮不一致，可在墻體中部設(shè)一道水平暗梁抵抗拉力。事實上，目前已建成的許多建筑結(jié)構(gòu)，由于采取了上述措施，并進行了合理的施工，伸縮縫間距已超過了規(guī)范規(guī)定的數(shù)值。5. 外墻計算a.荷載計算：地下室外墻受彎及受剪計算時，土壓力引起的效應(yīng)為永久荷載效應(yīng)，可變荷載效應(yīng)控制的組合時，土壓力的荷載分項系數(shù)取1.2；永久荷載效應(yīng)控制的組合時，其荷載分項系數(shù)取1.35。對于地面活荷載，同樣應(yīng)乘側(cè)壓力系數(shù)。地下室底板的強度計算時，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009-2001)(2006年版)第3.2.5條板、覆土的自重

15、的荷載分項系數(shù)取1.0。地下室外墻的土壓力應(yīng)為靜止土壓力，根據(jù)土性的不同分別采用不同的計算方法，粘性土采用水土合算，砂性土采用水土分算。b.配筋計算：地下室外墻配筋計算：如果在工程外墻配筋計算中，凡外墻帶扶壁柱的，不區(qū)別扶壁柱尺寸大小，一律按雙向板計算配筋，而扶壁柱按地下室結(jié)構(gòu)整體電算分析結(jié)果配筋，又不按外墻雙向板傳遞荷載驗算扶壁柱配筋。第 6 頁 共 7 頁按外墻與扶壁柱變形協(xié)調(diào)的原理，其外墻豎向受力筋配筋不足、扶壁柱配筋偏少、外墻的水平分布筋有富余量。因此：除了垂直于外墻方向有鋼筋混凝土內(nèi)隔墻相連的外墻板塊或外墻扶壁柱截面尺寸較大(如高層建筑外框架柱之間) 外墻板塊按雙向板計算配筋外，其余

16、的外墻宜按豎向單向板計算配筋為妥。豎向荷載(軸力)較小的外墻扶壁柱，其內(nèi)外側(cè)主筋也應(yīng)予以適當加強。外墻的水平分布筋要根據(jù)扶壁柱截面尺寸大小，可適當另配外側(cè)附加短水平負筋予以加強，外墻轉(zhuǎn)角處也同此予以適當加強。c.裂縫計算：地下室外墻混凝土易出現(xiàn)收縮，受到結(jié)構(gòu)本身和基坑邊壁等的約束，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，直至出現(xiàn)收縮裂縫，地下室外墻裂縫寬度控制在0.2mm之內(nèi)，其配筋量往往由裂縫寬度驗算控制。6. 保護層和墊層厚度地下工程防水技術(shù)規(guī)范(GB50108-2001)對防水混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)定：結(jié)構(gòu)厚度不應(yīng)小于250mm；裂縫寬度不得大于0.2mm，并不得貫通；迎水面鋼筋保護層厚度不應(yīng)小于50mm。防水混凝土結(jié)構(gòu)底板混凝土墊層，強度等級不應(yīng)小于C15，厚度不小于100mm，在軟弱土層中不應(yīng)小于150mm。工程實踐表明如果結(jié)構(gòu)厚度或