大底盤地下室錯層結構設計中若干問題的思考

■袁建龍 ■寶雞市民用建筑勘察設計院，陜西 寶雞 721001

1 大底盤地下室錯層結構

現代建筑綜合功能復雜，設備、設施專業要求較高，且設備設施占用的建筑空間面積較大。從建筑設計及使用功能要求方面綜合考慮，一般均考慮在建筑物底部地面以下部分設置一定區域來滿足這一方面的功能要求。預期達到一個較好的使用功效及工程性價比指標。隨著建筑使用功能要求的不斷提高，地下室部分越建越大，其工程成本占整個建筑物工程造價的比例也越來越高。從工程結構角度出發，這種情況下，地下部分結構對整體結構受力的影響不容忽視。因此，設計好這一部位結構構件的工程意義至關重要。下面筆者通過對在工作中遇到的一些實際問題的思考來共同探討一下如何處理好這一方面的相關問題，使工程結構設計能夠做到安全、經濟、合理。

從建筑整體功能角度出發，地下室部分往往會超出上部主樓平面范圍以外，超出部分可能會較大，且因考慮主樓底部設置管道夾層或室外貫穿預埋管溝及室外功能設施等要求，該部分結構樓面標高需要降低。當然也可能存在因建筑場地地勢高低的原因，造成室外地下室頂板抬高而高于主樓室內地面樓板的情況，甚至僅室外部分頂板也會出現板頂不共面的情況。這些情況均會造成結構底部樓板錯層。地下室頂板部位在整個結構受力中是極其重要的關鍵部位，而樓板錯層又是結構受力不利的復雜工況，那么在工程結構受力關鍵部位出現受力不利的結構錯層現象，這是一個很復雜而又不能避免的問題。

關于結構錯層的認知，因各建筑情況不同，室外地下室頂板與主樓室內地面樓板的高差也不盡相同，小的可在60cm 以內，大的可達2～3m 不等。工程界一般認為:當高差值不超過結構主梁截面高度或60cm，甚至不超過地下一層層高的1/4 時，當對錯層部位周邊構件采取有效結構措施及相應的構造措施后，可近似按不錯層考慮。而當高差值超出上述范圍時，則應按結構錯層對待，結構需采取有效措施。采取何種有效措施，既使結構安全可靠，又對建筑使用空間影響較小，筆者認為大致可按以下辦法來考慮:(1)當結構面高差值不大時，可適當加大樓層梁板截面剛度或采取梁板端部加腋的辦法，加腋可根據情況高標高梁板下加腋，低標高梁板上加腋。(2)當結構面高差值不大時，可采取適當降低較高結構板面標高，以減小或消除高差值，再在板頂覆土的辦法。結構層按不錯層結構考慮。(3)當結構面高差值較大時，可結合設備要求設架空管道夾層，降低較高結構板面標高，夾層頂部結構層可考慮采用裝配式或裝配整體式地面，其與主體墻柱脫開并采用柔性材料填縫。此時夾層不作為結構層參與整體結構計算，而只考慮其荷載效應及夾層自身的構造措施。(4)當結構面高差值較大時，亦可增加設備夾層，夾層按一個結構層輸入模型，參與整體模型分析計算。(5)當結構面高差值較大時，可通過增設斜撐板或設置架空桁架，也可在錯層處增設剪力墻，以調整錯層處結構構件剛度，避免或減小錯層處受力不利結構構件的不良受力狀態，使水平力在錯層部位相對均勻平緩的過渡傳遞。(6)如通過以上幾種辦法均不能解決時，可考慮在結構的適當位置設置永久變形縫，將室外部分與主樓部分徹底斷開，分別進行結構分析計算。

希望通過采取以上幾種方法，能夠處理一些情況下因樓板錯層所造成的不利影響，并能夠滿足工程結構安全可靠度的要求。

2 結構嵌固端的考慮

從工程力學意義上講，結構嵌固端一般理解為上部結構作用于底部抗力剛度無窮大的支承面之上。通常在設計中假定上部結構嵌固在基礎結構上，而實際上這一假定只有在剛性地基的條件下才能實現，對于絕大多數都屬于柔性地基的地基土而言，在水平力作用下結構底部以及地基都會出現轉動。因此所謂嵌固實質上是指接近于固定的計算基面。

大量工程試驗資料表明了以下兩個基本特點:一是具有外墻的地下室結構及其基礎，與周邊土層緊密接觸，當設有一定數量的內縱橫墻時，地下室變形呈現出與剛體變形相似的特征。二是地下結構的轉角體現了柔性地基的影響，地震作用下可假設地下結構為一剛體，上部結構嵌固在地下室頂板之上，而在嵌固部位處增加一個與柔性地基相同的轉角。基于上面的資料數據分析可以作出以下假定:在要求基礎和地下室結構具有足夠的剛度和承載力，以保證上部結構進入非彈性階段時，基礎和地下室結構始終能承受上部結構傳來的荷載，并將荷載安全傳遞到地基上。此時可考慮地下室頂板可作為上部結構的嵌固部位。但為了避免塑性鉸轉移到地下一層結構，保證上部結構在地震作用下實現預期的耗能機制，規范對地下室結構設計提出了明確細致的設計規定，以滿足地下室結構剛度及承載力足夠大的設計假定。

下面試列舉一些規范對關于結構嵌固端的具體規定及相關概念設計:

(1)《建筑抗震設計規范》GB50011-2010 第6.1.14.1 條“地下室頂板應避免開設大洞口，地下室在地上結構相關范圍的頂板應采用現澆梁板結構，相關范圍以外的地下室頂板宜采用現澆梁板結構，其樓板厚度不宜小于180mm，砼強度等級不宜小于C30。應采用雙層雙向配筋，且每個方向配筋率不宜小于0.25%”。第6.1.14.2 條“結構地上一層的側向剛度不宜大于相關范圍地下一層側向剛度的0.5 倍。地下室周邊宜有與其頂板相連的抗震墻。”

(2)《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010 第5.3.7 條“高層建筑結構整體計算時，當地下室頂板作為上部結構嵌固部位時，地下一層與首層側向剛度比不宜小于2。”

(3)《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011 第8.4.25 條“當地下一層結構頂板作為上部結構嵌固部位時，應符合下列規定:①地下一層的結構側向剛度大于或等于與其相連的上部結構樓層側向剛度的1.5 倍。②地下室外墻和內墻邊緣的板面不應有大洞口，以保證將上部結構的地震作用或水平力傳遞到地下室抗側力構件中。③當地下室內、外墻與主體結構墻體之間距離符合以下要求時，地下室墻與主體結構墻之間的最大間距d，當抗震設防烈度在7 度、8 度或9 度時分別不大于30m 或20m 時，該范圍內的地下室內、外墻可計入地下一層的結構側向剛度，但此范圍內的側向剛度不能重疊使用于相鄰建筑。當不符合上述要求時，建筑物的嵌固部位可設在筏形基礎的頂面，此時宜考慮基側土和基底土對地下室的抗力。”

多種規范均對結構嵌固端提出了明確的規定，其旨在保證嵌固層結構面具有足夠的傳遞水平力的整體剛度，也可充分發揮其有效減小基礎整體彎曲變形和基礎內力的作用，使結構受力及變形更為合理經濟。實驗結果表明，嵌固層樓板參與工作后對降低基礎整體撓曲度有較大貢獻，且基礎整體撓曲度隨著樓板厚度的增加而減小。

綜上所述，正是基于對結構底部嵌固端的確認，結構整體分析計算時其相關的一些計算指標就有了計算參考點。如結構底部加強區范圍，結構抗震等級、層剛度比、結構計算高度及結構底部內力調整等。在實際工程設計當中如有需要，也可將整體計算模型從結構嵌固端部位分開，分別進行上部及底部結構設計，從而實現多人同時操作設計，以便提高設計效率。

3 消防車荷載

隨著建筑物使用功能種類的多樣化，建筑體量也越來越大，對建筑消防防火的要求也大大提高，從而就會涉及到消防車和運輸車輛的問題。現行《建筑結構荷載規范》GB50009-2012 對消防車荷載有明確的規定。，使用時具有一定的前提條件。然而現在工程情況千差萬別，很難用一種或幾種工況來模擬代表所有的工程狀況。當工程情況與規范規定條件不同時，如何正確合理的使用規范來進行設計，先從規范《建筑結構荷載規范》GB50009-2012 出發，由規范第5.1.1 條部分列表及注解說明:

注:3.表中消防車活荷載適用于滿載總重為300kN 的大型車輛，當不符合本表的要求時，應將車輪的局部荷載按結構效應的等效原則，換算為等效的均布荷載。4.第8 項消防車活荷載，當雙向板樓蓋板跨介于3m ×3m～6m ×6m 之間時，應按跨度線性插值確定。

由規范第5.1.3 條“設計墻、柱時本規范表中的消防車活荷載可按實際情況考慮。設計基礎時可不考慮消防車荷載，常用板跨的消防車活荷載按覆土厚度的折減系數可按附錄B 規定采用。”筆者對地下室結構考慮消防車荷載時規范規定的理解，可以得出以下幾點認知:(1)使用的荷載值為車輪局部荷載按結構效應的等效原則換算后得到的均布荷載。(2)荷載的取值與樓蓋的形式及板跨度大小有關，雙向板可根據板跨度區間進行線性內插取值。(3)規范中使用的荷載等效值是考慮滿載的重型消防車荷載值，重型消防車荷載取值范圍一般在20t～30t，規范按30t 考慮。適用條件是一般考慮當建筑物總高度在30m 以上或建筑面積較大時應考慮重型消防車荷載。而目前常見的中型消防車總質量一般小于15t，對于住宅，賓館等建筑物滅火時常以中型消防車為主。可以看出，在相當多的情況下如直接采用規范取值顯然過于偏大，結構構件受力過大，不經濟，此時應按實際荷載情況取值，可有效降低地下室結構構件的截面及配筋。(4)地下室頂板有覆土時，在計算梁板時可根據覆土厚度對活荷載進行折減。(5)計算結構基礎時可不考慮消防車荷載。(6)在對樓蓋梁板變形(撓度及裂縫)計算時按正常使用情況下活荷載效應考慮，可不考慮消防車荷載。(7)考慮到消防車荷載作用的偶然性和短暫性(消防站工作地面及通道除外)，則消防車活荷載不應參與荷載的基本組合，而應參與荷載的偶然組合進行結構構件的承載力極限狀態驗算。不應參與荷載的標準組合，而應參與荷載的頻遇組合進行構件的正常使用極限狀態驗算。筆者以為，目前工程上一般卻將其視為一般活荷載與其他荷載組合，這在荷載組合概念上是欠妥的。

綜上所述，要正確合理的使用消防車荷載進行結構設計，需要設計者根據不同的工程情況，結合規范精神作出合理的判斷，這樣才能確保結構安全的同時做到合理經濟。

4 地下室剛度及外墻

結合目前常用的工程結構設計軟件及設計者的操作方式，建立結構計算模型時一般直接將地下室外墻輸入模型，參與整體結構計算，以體現真實的剛度計算模型。以此來考慮其對整體結構受力的影響。此時外墻不單起傳統意義上擋土墻的作用，而且是重要的抗豎向力及水平力構件，對提高地下室結構整體剛度及基礎剛度有較大的作用。計算地下室結構剛度的大小會影響到對上部結構嵌固端位置的判定，尤其是抗側力剪切剛度。一般認為，在不考慮地下室周邊土體約束的情況下，地下一層有效抗側剪切剛度與上部結構底層抗側剪切剛度的比值不宜小于2，且構造措施滿足規范規定的條件，則地下室頂部可作為上部結構的嵌固端。有效剪切剛度是指地下室相關范圍內結構構件的抗側剛度，相關范圍以外部分抗側剛度則不予計入。因此為滿足剛度比條件，則應盡量提高相關范圍以內結構抗側剛度，并加強構結構造措施，但同時相關范圍以外部分仍應采取一定的結構構造措施。外墻剛度對地下室有效抗側剛度的貢獻大小與其在工程中所處的位置與上部結構的距離有關。無論如何，對整個地下室結構而言，其工程意義是非常重要的，所以設計者應認真對待這一問題。

外墻作為結構構件進行設計時，因其計算簡圖中邊界約束條件的定義粗略程度以及墻體平面外荷載取值的近似性，還有對墻體構造措施處理的強弱等因素均會造成設計與墻體實際受力狀態誤差偏大。大致可從以下幾個方面考慮。

4.1 土壓力計算

目前工程中大多采用朗金理論和庫倫理論來計算土壓力。地下室外墻在土壓力作用下不會發生整體側移，墻后土體處于彈性平衡狀態，外墻所承受的土壓力為靜止土壓力，而非被動土壓力。一般情況下靜止土壓力系數取值:對砂類土可取0.35～0.45，對黏性土可取0.5～0.7。當地下室施工采用大開挖方式，無坑壁支護結構時，靜止土壓力系數一般取0.5，但當考慮坑壁支護結構與外墻共同作用時，靜止土壓力系數可乘以0.66 來近似計算，土壓力計算時地下水位以上取土的重度，水位以下取土的浮重度。

4.2 墻體計算模型的確定

以往地下室外墻計算近似按單向板計算，即取頂板、板底為外墻的支承點，取單位寬度的外墻視地下室的層數按單跨或多跨連續板進行計算，外墻的支承條件按外墻與周邊構件的剛度比確定，當外墻剛度相對于與之相連周邊構件剛度較大時，按簡支考慮，反之按固結考慮。目前常用的一些有限元計算程序已能按外墻的實際邊界條件進行計算，當外墻兩側存在翼墻或線剛度較大的扶壁框架柱，且翼墻或扶壁框架柱間距不大于層高的2 倍時，外墻可按雙向板計算。一般來說外墻多按墻體底部固結，頂部視情況為簡支、固結或半固結的壓彎構件進行設計。當計算時忽略翼墻或扶壁框架柱對外墻約束的有利因素時，則外墻計算結果將會偏大。

4.3 構造措施

構造措施包括構件計算抗震等級，墻體厚度、砼強度等級及配筋構造等。抗震等級可根據《建筑抗震設計規范》GB50011-2010 第6.1.3條地下室無上部結構的部分抗震構造措施的抗震等級可根據情況采用三級或四級，建議取四級。各構件的計算或構造要求低。當上部有主樓時，主樓相關范圍內地下室構件抗震等級與主樓相同，其它部分可定義為四級。計算外墻厚度取值應滿足規范規定的最小值，配筋在計算的基礎上可采用分離式配筋或對稱配筋。

5 結語

本文通過在長期設計工作當中針對帶大底盤地下室錯層結構中遇到的一些問題的思考與分析，面對地下室結構情況較為復雜，設計時需針對不同的工程情況進行具體分析，采取合理、恰當的工程措施，使結構設計既能安全可靠，滿足規范要求，而且要做到經濟合理，避免造成浪費，以提高該部分工程結構的性價比，這是每個結構設計者必須關注和認真面對的問題。

［1］GB50010-2010《混凝土結構設計規范》［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［2］GB50011-2010《建筑抗震設計規范》［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［3］JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［4］GB50009-2012《建筑結構荷載規范》［S］.北京:中國建筑工業出版社，2012.

［5］GB50007-2011《建筑地基基礎設計規范》［S］.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［6］徐傳亮，光軍.《建筑結構設計優化及實例》［M］.北京:中國建筑工業出版社，2012.

［7］谷貴風.關于嵌固端的探討［J］.PKPM 新天地，2013，97(2):9-10，34.