易文新

摘要：高層建筑上部荷載大，基礎(chǔ)埋置深度也較深，地下室的設(shè)計合理與否直接影響建筑物的正常使用與造價。本文從地下室工程的結(jié)構(gòu)模型人手，針對其特點的多樣性和復(fù)雜性，主要從基礎(chǔ)埋置深度、上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位、回填土的約束作用及地下室的荷載四個方面展開論述，并就設(shè)計過程中地下室的抗震等級、外墻、剪力墻、框架柱、頂板、回填土及抗裂措施等問題作了簡要分析。

關(guān)鍵詞：埋置深度；嵌固部位；回填土；側(cè)向剛度

中圖分類號：TU91

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-0422（2013）07-0174-02

1.前言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑越來越多。為了增加有效使用面積，將停車庫轉(zhuǎn)入地下，所以這些建筑通常都帶有地下室。這不僅有利于地面道路的設(shè)置，同時也滿足了平戰(zhàn)結(jié)合的要求。對于這類工程，如何把握地下室的受力情況，進(jìn)行合理的計算分析是擺在廣大工程技術(shù)人員面前的重要問題。本文就地下室工程的結(jié)構(gòu)模型特點和設(shè)計過程中需要注意的幾個問題作簡要的論述。

2.地下室工程的結(jié)構(gòu)模型特點

帶有地下室的高層建筑是一個由上部結(jié)構(gòu)與地下室共同組成的完整的受力體系，相互協(xié)調(diào)變形。地下室與上部建筑并沒有本質(zhì)的區(qū)別，在建模方法和計算分析方面也基本相同。在設(shè)計單位廣泛應(yīng)用的SATWE軟件完全可以將地下室和上部結(jié)構(gòu)作為一個整體進(jìn)行計算分析。當(dāng)然，地下室與上部結(jié)構(gòu)的受力及分析方面也有許多不同之處，需要在設(shè)計中加以特殊考慮。

2.1地下室的埋置深度

高層建筑設(shè)置地下室對建筑物結(jié)構(gòu)的益處很多。①可以利用的側(cè)壓力減少結(jié)構(gòu)的滑移和傾覆，有利于上部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性；②可以減小土的重量，減少地基的附加壓力和沉降；③由于基礎(chǔ)具有一定的埋置深度，還可以減小地震作用對上部建筑的影響。唐山地震震害就表明有地下室的建筑物破壞明顯較小。

地下室在具有足夠的剛度、承載力和整體性的條件下，可作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的一部分。高層建筑基礎(chǔ)的埋置深度應(yīng)滿足地基承載力、變形和穩(wěn)定性的要求。位于巖石地基上的高層建筑，其埋深應(yīng)滿足抗滑的要求。

建議同一結(jié)構(gòu)單元應(yīng)全部設(shè)置地下室，并應(yīng)當(dāng)有相同的埋深?；A(chǔ)的埋置深度為建筑物室外地面至基礎(chǔ)底面的距離，可按以下要求進(jìn)行估算：

2.1.1一般天然地基，不宜小于建筑物的高度的1/15；

2.1.2巖石地基可不考慮埋深的要求，但應(yīng)驗算傾覆和滑移；

2.1.3樁基礎(chǔ)不宜小于建筑物高度的1/18。在城市居住密集的地方往往新舊建筑物緊靠在一起。為保證施工期間相鄰原有建筑物的穩(wěn)定，通常新建高層的埋深不宜大于原有建筑的基礎(chǔ)。當(dāng)新基礎(chǔ)埋深大于原有建筑基礎(chǔ)時，應(yīng)根據(jù)建筑荷載大小、基礎(chǔ)形式和土質(zhì)情況使基礎(chǔ)間保持一定的距離。

2.2上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位

在進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)計算時，首先要確定其嵌固部位，嵌固部位又直接影響到基礎(chǔ)的彎矩，所以它對于結(jié)構(gòu)分析和基礎(chǔ)設(shè)計都是非常重要的，并直接關(guān)聯(lián)建筑物的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

2.2.1嵌固部位的概念引入

由于地下室側(cè)墻外的回填土的存在，使得地下室的力學(xué)特點和上部結(jié)構(gòu)有所不同?；靥钔良s束了地下室的水平位移，使得建筑物在地下室頂部產(chǎn)生剛度突變。在地震作用下，塑性鉸的位置有可能發(fā)生轉(zhuǎn)移。確定嵌固部位可以通過對結(jié)構(gòu)剛度和承載力的調(diào)整，使得塑性鉸在預(yù)定的位置出現(xiàn)，從而在地震作用下，保證上部結(jié)構(gòu)的某些關(guān)鍵部位能實現(xiàn)預(yù)期的先于其他部位的屈服即進(jìn)入非彈性階段，產(chǎn)生預(yù)期的耗能機制。

2.2.2嵌固部位的含義

結(jié)構(gòu)的嵌固部位是計算模型中的一個重要假設(shè)，它是指結(jié)構(gòu)預(yù)期塑性鉸出現(xiàn)的位置。嵌固部位的正確設(shè)定直接關(guān)系到計算模型與實際受力狀態(tài)的符合程度，構(gòu)件內(nèi)力與側(cè)移等計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。嵌固部位應(yīng)能限制構(gòu)件在兩個水平方向的平動位移和繞豎軸的轉(zhuǎn)動位移，并能傳遞上部結(jié)構(gòu)的地震剪力。

2.2.3嵌固部位的確定原則

嵌固部位結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載力是塑性鉸出現(xiàn)的必要條件。地下室嵌固部位應(yīng)能承受上部結(jié)構(gòu)屈服超強引起的內(nèi)力及地下室本身的地震作用。因此，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》都規(guī)定：當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固部位時，地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的2倍。地下室不能滿足嵌固部位的樓層側(cè)向剛度比規(guī)定時，可以增加地下室樓層的側(cè)向剛度，或者將主體結(jié)構(gòu)的嵌固部位下移至符合要求的部位，如基礎(chǔ)頂面等。當(dāng)?shù)叵率也簧儆趦蓪訒r，地下室頂部可作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位。

2.3回填土的約束作用

由于地下室一般都存在外墻其側(cè)向剛度大于上部結(jié)構(gòu)。同時，地下室與室外土層接觸面積大，在地震作用下，阻尼增大導(dǎo)致振動衰減，降低了結(jié)構(gòu)的動力效應(yīng)。此外，地震作用迫使與地下室接觸的回填土發(fā)生相應(yīng)的變形，導(dǎo)致土對地下室外墻及底板產(chǎn)生抗力，約束了地下室的變形從而提高了地下室的剛度。在選擇了合理的嵌固部位以后，如何分析回填土的約束作用成為地下室結(jié)構(gòu)模型合理性的關(guān)鍵。在規(guī)范關(guān)于剛性地基的假定下，目前通常采用以下兩種分析方法：

2.3.1嵌固水平位移法

將上部結(jié)構(gòu)與地下室作為一個整體考慮，嵌固部位取在基礎(chǔ)底板處，并根據(jù)地下室結(jié)構(gòu)與相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度比的大小，確定合適位置限定其水平位移為零。樓層側(cè)向剛度的計算方法有三種，分別是剪切剛度、剪彎剛度和樓層剪力與層問位移的比值。三種方法含義不同，計算結(jié)果差別也較大。當(dāng)進(jìn)行方案設(shè)計時，地下室側(cè)向剛度比可用剪切剛度比估計。施工圖設(shè)計時，取樓層剪力與層問位移的比值計算。

2.3.2彈簧剛度法

將上部結(jié)構(gòu)與地下室作為一個整體考慮，嵌固部位取在基礎(chǔ)底板處，并在每層地下室的樓板處引入水平彈簧剛度，其值的大小反映回填土對地下室約束作用的強弱。SATWE軟件設(shè)有參數(shù)“回填土對地下室作用的相對剛度比”，其含義就是回填土的約束剛度與地下室本身抗側(cè)移剛度的比值，若取值為0，表示不考慮回填土的約束作用；若取值在1-5之間，表示回填土具有一定的約束作用，取值越大約束作用越強；若取值為負(fù)數(shù)米，表示地下室有嵌固部位，其下部的米層無水平位移。

3.地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題

3.1地下室的抗震設(shè)計

一般來講地下室抗震設(shè)計中較為常見的問題為：多層建筑中半地下室埋深不夠，房屋層數(shù)包括半地下室層已達(dá)8層，層數(shù)和總高度超過要求，違反GB50011-2010第7.1.2條。若地下室設(shè)計不當(dāng)，對其整體的抗震性能會產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)施工圖審查要點，一般來講，對于半地下室的埋深要求應(yīng)大于地下室地面以上的高度，才能不計算其層數(shù)，總高度才能從室外地面算起。地下室的墻柱與上部結(jié)構(gòu)的墻柱應(yīng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一。對地下室頂板室內(nèi)外板面標(biāo)高變化處，當(dāng)標(biāo)高變化超過梁高范圍時則形成錯層，應(yīng)采取一定的措施進(jìn)行處理，否則不應(yīng)作為上部結(jié)構(gòu)的部位

3.2地下室的外墻

3.2.1荷載組合

地下室外墻所承受的荷載分為：①水平荷載：地下室在地面以下不受風(fēng)荷載的影響。由地下室質(zhì)量產(chǎn)生的地震作用主要被室外回填土吸收，只有小部分由地下室構(gòu)件承擔(dān)。因此，在按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行地震剪力調(diào)整時，地下室部分的最小地震剪力系數(shù)不滿足要求時可以不調(diào)整；②豎向荷載：地下室與上部結(jié)構(gòu)采用整體分析方法，不僅可以正確完成全樓的豎向?qū)Ш杉皟?nèi)力計算，同時可以考慮地下室的變形對上部結(jié)構(gòu)的影響，使計算結(jié)果更符合實際情況

在實際工程設(shè)計中，豎向荷載及風(fēng)荷載或地震作用產(chǎn)生的內(nèi)力一般不起控制作用，墻體配筋主要由垂直墻面的水平荷載產(chǎn)生的彎矩確定，而且通常不考慮與豎向荷載組合的壓彎作用，僅按墻板彎曲計算彎曲的配筋。

3.2.2內(nèi)力計算

地下室外墻可根據(jù)支承情況計算水平荷載作用下的彎矩。由于地下室內(nèi)墻間距不等，可把樓板和基礎(chǔ)底板作為外墻的支點按單向板計算，基礎(chǔ)底板為固端，頂板為鉸支座。也可按考慮塑性內(nèi)力變形重分布的方法計算彎矩，可以節(jié)省鋼筋用量。外墻的受拉區(qū)混凝土可能出現(xiàn)彎曲裂縫，但由于裂縫較細(xì)微不會貫通整個截面，外墻仍具有足夠的抗?jié)B能力。

3.2.3構(gòu)造措施

地下室外墻外側(cè)豎向鋼筋在基礎(chǔ)底板彎折后水平段長度按搭接與底板下部鋼筋相連，而底板上下鋼筋可伸至外墻外側(cè)。

多層地下室的外墻各層墻厚可以不同。墻的外側(cè)豎向鋼筋宜在距樓板1/4-1/3層高處搭接，內(nèi)側(cè)豎向鋼筋可在樓板處搭接。墻外側(cè)水平鋼筋宜在內(nèi)墻間中部搭接，內(nèi)側(cè)水平鋼筋宜在內(nèi)墻處搭接。鋼筋直徑大干22mm宜采用機械接頭或焊接。

地下室外墻豎向鋼筋和水平鋼筋，每側(cè)均不應(yīng)小于受彎構(gòu)件的最小配筋率。當(dāng)外墻較長時，考慮到混凝土硬化過程及溫度應(yīng)力的影響可能產(chǎn)生收縮裂縫，水平鋼筋配筋率宜適當(dāng)增大。

3.3地下室的剪力墻和框架柱

高層建筑的剪力墻底部加強部位計算起點一般是室外地坪。地下一層一般可按加強部位設(shè)計，其邊緣構(gòu)件設(shè)計與地上一層相同，即地上一層的邊緣構(gòu)件向下延伸一層若地下室多于一層，地下二層及以下一般可按構(gòu)造邊緣構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計；若地下室側(cè)向約束條件較差，則需另行考慮。

當(dāng)?shù)叵率业捻攲幼鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固端時，地下室框架柱截面每側(cè)的縱向鋼筋面積除應(yīng)符合計算要求外，不應(yīng)少于地上一層對應(yīng)每側(cè)縱向鋼筋面積的1.1倍。

3.4地下室的頂板

頂板的厚度不僅對于承受垂直荷載很重要，對于承受側(cè)向荷載也非常重要。其平面內(nèi)的變形將影響樓層地震作用在各抗側(cè)力構(gòu)件之間的分配。另外應(yīng)避免或減少在頂板開洞，當(dāng)避免不了時，應(yīng)減小洞口面積，并對洞口周邊從構(gòu)造上加強，以防止剛度突變或強度降低的不利影響?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，當(dāng)?shù)叵率业捻敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固端時，樓板厚度不宜小于180mm，不宜有較大洞口，混凝土強度等級不宜地于C30，應(yīng)采用雙層雙向配筋，每層每個方向的配筋率不宜小于0.25%。當(dāng)?shù)叵率业捻敯宀荒茏鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固端時，樓板厚度不宜小于160mm。

3.5地下室的回填土

試驗資料和理論分析都表明，回填土的質(zhì)量影響著基礎(chǔ)的埋置作用。提高地下室四周的回填土質(zhì)量，可以有利于吸收地震能量，減輕上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。增強建筑物的整體穩(wěn)定性。國內(nèi)外的調(diào)查資料表明，回填土的壓實系數(shù)達(dá)到0.95以上時，建筑物地震反應(yīng)減小的程度可達(dá)20-30%。如果不能保證回填土和地下室外墻之間的有效接觸，將降低基礎(chǔ)的側(cè)向剛度和轉(zhuǎn)動剛度以及土對基礎(chǔ)的約束作用。因此，地下室四周回填土應(yīng)均勻地分層夯實，根據(jù)具體的情況控制合理的壓實系數(shù)，保證回填土的質(zhì)量。當(dāng)?shù)叵率彝鈮突又ёo(hù)結(jié)構(gòu)之間的凈距太小而無法對回填土進(jìn)行夯實時，宜采用素混凝土填充地下室外墻與基坑之間的縫隙。

3.6地下室的抗裂措施

由于地下室的混凝土體量較大，而有些地下室長度超過了結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距，混凝土的干縮和施工期間的水泥水化熱將會導(dǎo)致墻體及樓板的裂縫。設(shè)計過程中一般可采用以下措施：

3.6.1設(shè)置施工后澆帶

后澆帶作為混凝土早期釋放約束力的措施已得到廣泛應(yīng)用。

3.6.2采用補償收縮混凝土

在混凝土中摻入UEA等微膨脹劑，以混凝土的膨脹值抵消其收縮值，從而達(dá)到控制裂縫的目的。

3.6.3提高構(gòu)件的抗拉性能

增加外墻水平分布鋼筋的配筋率減小鋼筋間距。

4.工程實例

4.1工程概況

湖南長沙某公司辦公樓，兩幢塔樓通過地下室連為一體，地上無裙房，地下室為汽車庫和設(shè)備用房。框架剪力墻結(jié)構(gòu)，共16層，地下室1層，總高度72m，抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計基本加速度為0.05g，場地土類別為Ⅱ類，地下室頂結(jié)構(gòu)平面圖如圖1。

4.2地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.2.1基礎(chǔ)

根據(jù)地質(zhì)條件采用樁基礎(chǔ)，選用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。地下室室內(nèi)標(biāo)高-4.8m，地下室頂板厚度180mm，地下室外墻350mm，基礎(chǔ)底板按沖動要求計算所得厚度為800mm?；A(chǔ)埋深大于結(jié)構(gòu)總高度的1/18，滿足規(guī)范要求。

4.2.2上部結(jié)構(gòu)計算

由于開挖的軟土用于回填，考慮一定的約束作用，對地下室作用的相對剛度比取值為2。采用樓層剪力與層間位移的剛度比計算方法，地下室的側(cè)向剛度與首層側(cè)向剛度比為2.26，滿足嵌固部位剛度比大于2的條件，可以將地下室頂板設(shè)為嵌固端，將地下室作用的相對剛度比取值為-3，即不考慮回填土的約束作用，再重新計算。SATWE軟件計算的結(jié)構(gòu)第一、第二自振周期均以平動為主，T1=1.7s，T2=1.3s，以扭轉(zhuǎn)為主的第三周期T3=0.86，T3/T1=0.51<0.9，最大層間位移角為1/1240<1/800，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求。再將嵌固端設(shè)在基礎(chǔ)頂面計算得T1=1.84，最大層間位移角1/1315，計算結(jié)果顯示將地下層頂板設(shè)為嵌固端，結(jié)構(gòu)第一自振周期下降8%，最大層問位移角下降6%。

4.2.3設(shè)計結(jié)構(gòu)措施

地下室構(gòu)件的抗震等級同上級結(jié)構(gòu)抗震等級，剪力墻二級，框架三級。地下室柱截面每側(cè)的縱向鋼筋面積較計算值放大10%配置。頂板梁混凝土強度C30，鋼筋雙層雙向14@100貫通，配筋率大于0.25%，滿足作為嵌固端的構(gòu)造要求。

由于地下室長達(dá)90m，為解決混凝土的溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力給工程帶來的不利影響，在兩幢塔樓地下室連接處設(shè)置了一道伸縮后澆帶（圖1中陰影部分），寬800mm，設(shè)計時建議采用水化熱較低的礦渣硅酸鹽水泥，在混凝土中摻入10%UEA，并采用循環(huán)冷卻水的方法降溫，嚴(yán)格控制內(nèi)部混凝土的溫度。同時將地下室外墻的水平筋間距加密為150mm。地下室工程驗收合格以來已有半年，外墻及梁板未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，取得了滿意的效果。

5.結(jié)語

地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個綜合性很強的問題，涉及到的內(nèi)容繁多而復(fù)雜，因此無論是從技術(shù)還是從經(jīng)濟(jì)的角度講都需要我們更深入地研究“地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計分析與設(shè)計”提高設(shè)計水平，設(shè)計時應(yīng)正確地把握結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析計算，并采取適用的構(gòu)造措施，真正做到技術(shù)與經(jīng)濟(jì)同步，安全與適用協(xié)調(diào)。