淺談高層建筑地下室結構設計

陳雪峰

【摘要】震害調查表明，有地下室的高層建筑的破壞比較輕，而且有地下室對提高地基的承載力有利，對結構抗傾覆有利。另外，現代高層建筑設置地下室也往往是建筑功能所要求的。本文簡要介紹了高層建筑大底盤地下室結構設計中常見的一些問題，從五個方面展開敘述，提出了相應的解決方案并輔以一定的經濟分析比較。

【關鍵詞】抗浮設計；不均勻沉降；結構超長；基礎型式

引言

現代高層建筑由于技術、經濟等各方面的因素，一般都設有大底盤地下室，通常為1～2層，地下室面積約占整個建筑面積的10%左右。隨著建筑物高度的不斷增加，地下室的層數也隨之增加。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項目中所占的比重越來越大。本文以地下室結構設計中的技術問題為主線，結合具體的工程實例，簡要分析地下室結構設計中的技術、經濟問題及其相互關系。

一、抗浮問題

當抗浮設計水位較高，裙房滿堂地下室或地下車庫需要采取抗浮措施時，應按工程具體情況區別對待，采取合理的抗浮措施：

1、在設計允許的情況下，盡可能提高基坑坑底的設計標高，間接降低抗浮設防水位。高層建筑的基礎底板多采用平板式筏板基礎和梁板式筏板基礎。一般而言，平板式筏板基礎的重量與梁板式筏板基礎上填覆土的重量基本相當，但后者的基礎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1/22～1/16，寬扁梁的使用將有效地降低地下結構的層高，從而相對降低了抗浮設防水位。

3、增加地下室的層高來增加地下室的重量是解決地下室抗浮問題的一個直接有效的方法，但這種方法還應該結合地基土的承載力而定；在對主體結構的地基承載力進行深度修正時，增加地下室的層高可以提高主體結構的有效埋置深度，從而提高了主體結構修正后的地基承載力特征值。

（1）增加基礎配重。此種方法大致有以下3種情況：增加基礎底板的厚度、增加基礎頂面覆土厚度、基礎頂面采用容重大且價格低廉的填料。這三種方法的共同特點是：在增加基礎配重用以解決抗浮問題的同時又不可避免的增加了基礎的埋置深度，從而相對地提高了地下室抗浮設防水位的高度，因此它不是一種效率最高的方法。

（2）增加地下室頂板的厚度。這種方法的優點是：在不增加基坑坑底標高的前提下，增加了地下室的重量，而且使用厚板后，地下室頂板的大板塊之間可以不再設置次梁。但此種方法的缺點是會略增加地下室頂板框架梁的負荷，而且由于板厚有限，這種方法解決抗浮問題的效果也是有限的。

4、設置抗浮樁。高層建筑與裙房之間不設縫時，由于高層建筑基礎底面的附加應力很大，常導致高層的沉降量較大，而裙房則多為超補償基礎或基地附加應力很小的補償基礎，裙房的沉降量值很小，如果因為抗浮設計需要而將裙房部分設置抗浮樁時，由于抗浮樁的支撐作用，裙房的沉降將受到很大的限值，反而會加大高層與裙房之間的沉降差。因此，“抗浮樁”實際上長期起著“抗壓樁”的作用。這種“反作用”將阻礙有抗浮要求的地下室的合理沉降，而這種變化將會使無沉降縫的大底盤地下室在主體結構和裙房之間產生更大的不均勻沉降差；同時設置抗浮樁后，計算基礎底板內力及配筋時應考慮地下水壓力，這樣也會增加基礎底板的荷載。另外一方面，如果地下水位長期處于一種較高的水平之上，設置抗浮樁也不乏是一種有效的方式。因此，抗浮樁是一把雙刃劍，使用時需仔細考慮。

二、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）裙房和高層建筑之間設沉降縫，讓各部分自由沉降，互不影響，避免由于不均勻沉降產 生的內力，這是所謂“放”的方法。但實際上這樣做，給建筑的立面處理、地下室的防滲漏、基礎的埋置深度和整體穩定等帶來很多困難。

（2）裙房和高層建筑之間不設沉降縫，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。這是所謂的“抗”的方法。但這種方法基礎材料用量多，不經濟，一般用于超高層建筑或地基持力層較差的情況。

（3）在設計中不設沉降縫，而采取一定的措施，調整地基反力，盡量減少不同部分的地基反力差，從而減少沉降差。這是所謂“調”的方法。如：裙房部分采用天然地基，主樓部分采用復合地基或樁基。裙房和主樓部分采用不同的基礎形式，主樓采用筏基或箱基，裙房采用獨立基礎或條形基礎。目前，工程中比較常用的方法是在主體結構部分采用CFG樁（水泥粉煤灰碎石樁）復合地基，在裙房及純地下室部分采用天然地基。

（4）在主裙樓之間設置沉降后澆帶，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。兩部分沉降基本穩定后再澆筑后澆帶。這樣，用調時間差的辦法解決了沉降差，同時又避免了設置沉降縫帶來的麻煩。這也是一種“調”的方法。

三、地下室結構超長問題

由于建筑布局的要求，有時地下室結構超長，多數情況下都超過了40～60m。地下結構雖然 受溫度變化的影響較地上結構小，但周邊約束作用較強，結構超長問題的重要性仍然不容忽視。目前比較成熟的做法有以下幾種：

（1）設置伸縮后澆帶。地下結構一般在結構長度大于40～60m時宜設置一道伸縮后澆帶，普通的伸縮后澆帶寬度約為800～1000mm，鋼筋貫通不切斷。對于平面尺寸特別長的地下結構，應設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）不設置伸縮后澆帶，采取其它相應措施。主要有：采用低強度等級混凝土；混凝土中添加微膨脹劑；采用粉煤灰混凝土技術；適當加大分布鋼筋配筋量；施工縫處設置膨脹止水條；設置膨脹加強帶。事實上，目前已建成的許多建筑結構，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范規定的數值。

（3）以上兩種方法結合使用。

四、基礎型式的選取及計算分析方法

高層建筑基礎設計比一般建筑基礎設計要更復雜，它具有荷載大、埋置深度、及要求嚴的特點，在選擇基礎形式時與建筑物的使用性質、上部結構類型、地質情況、抗震性能、對周圍建筑物的影響及施工條件等有密切關系。目前高層建筑中比較常用的基礎型式有：筏板基礎、箱型基礎、樁筏基礎和樁箱基礎等。在工程中筏板基礎是應用最多的一種基礎型式，因此，就筏板基礎的有關問題進行討論。

（1）平板式筏板基礎和梁板式筏板基礎的適用范圍。相鄰柱間距及柱荷載差別較小時適用平板式筏板基礎，反之則宜采用梁板式筏板基礎。此外，底板標高變化較多時宜采用平板式筏板基礎。通常，在材料用量相當的情況下，梁板式筏板基礎的剛度較平板式筏板基礎大。

（2）梁高、板厚的選取及計算方法。計算筏板基礎時，目前常用的方法有“倒樓蓋”法、彈性地基梁板方法和有限元分析方法。其中“倒樓蓋”是一種傳統方法，按該法進行基礎設計時，基礎內力按基底反力直線分布進行計算。按《建筑地基基礎設計規范》（GB50007—2011）（以下簡稱《規范》）的要求進行計算時，要求地基土比較均勻、上部結構剛度較好、荷載分布比較均勻、梁板式筏板基礎梁的高跨 比或平板式筏板基礎的厚跨比不小于1/6，當不滿足上述要求時應按彈性地基梁板計算。《規范》對基礎梁高跨比和筏板厚跨比的要求，是要保證基礎具有一定的剛度，但基礎剛度應與基底反力的大小相匹配，對于層數較多的高層建筑而言，該要求很容易滿足，但對于層數較少的高層建筑而言，該條款要求就顯得偏嚴。

（3）基礎底板抗沖切驗算及抗剪切計算。按《規范》第 8.4.5條規定，梁板式筏基底板應滿足受沖切承載力和受剪切承載力的要求，通過對跨度從6～10m、長寬比從1～3、板厚從400～1000mm變化的梁板式筏基底板的計算來看，梁板式筏基底板都是受沖切承載力起控制作用，因此一般的梁板式筏基底板可以不進行底板受剪切承載力的驗算。對于平板式筏基而言，底板的柱下及核心筒邊的抗沖切驗算則必不可少，且應考慮不平衡彎矩的作用，尤其是邊柱和角柱。

（4）采用平板式筏板基礎時，宜設置平面尺寸較大的柱帽。設置柱帽有以下優點：解決底板抗沖切問題；減小底板的計算跨度；減小支座負筋。

結束語

現代高層建筑由于地下工程龐大，建設工程在地下的投資已經接近甚至超過了地上，因此無論是從技術還是從經濟的角度講都需要我們更深入地研究地下室結構設計的技術問題，提高設計水平，真正做到技術與經濟同步、安全與適用協調。

參考文獻

[1] 高層建筑混凝土結構技術規程JGJ3-2010. 中國建筑工業出版社.

[2]朱炳寅.建筑地基基礎設計方法及實例分析.中國建筑工業出版社.

[3]李國勝.多高層建筑基礎及地下室結構設計.中國建筑工業出版社.