高層地下室結構設計淺析

高層地下室結構設計淺析

孫志，劉羅煒

(中國建材國際工程集團有限公司，深圳 518054)

摘要：地下室是高層建筑的重要部分，也是結構設計的難點之一。該文主要分析了高層建筑地下室結構地基基礎、地下室外墻、地下室頂板等關鍵部位的設計要點，并結合工程實例探討了結構設計初期方案確定的重要性，簡要分析了地下室結構設計的技術內涵、經濟效益及其相互關系。

關鍵詞：地下室；結構設計；抗浮設計；地下室外墻

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.016

Abstract:Being an important part of tall buildings, basement is also one of the difficulties in structure design. The thesis mainly analyses the basement’s key points of design of its main parts, such as the structure-foundation, outer-wall and top slab, and it also discusses the importance of confirming the preliminary plan of structure design combining with engineering examples. The thesis briefly analyses the technology, economy and the interrelation of the basement’s strcture design.

收稿日期：2015-05-01.

作者簡介：孫志(1977-)，高級工程師.E-mail:58302337@qq.com

Discussion on Structure Design of Tall Buildings Basement

SUNZhi，LIULuo-wei

(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Shenzhen 518054, China )

Key words:basement;structure design;anti-floating design;basement outer-wall

根據國家統計局發布的2014年經濟數據，我國城鎮化率已達到54.77%。隨著城鎮人口不斷增加，新建住宅小區規模越來越大。為了滿足人們的用地需求，越來越多的住宅小區采用整體式大底盤地下室及上部多塔樓的建筑結構體系。地下室面積越做越大，層數也越來越多。在整個建筑總造價中，地下室的造價所占的比重占到了建筑總造價的25%～30%，地下室結構設計成功與否關乎到整個建筑的質量好壞。

1地下室設計綜述

現代建筑水平不斷發展，地下空間也被越來越多開發和利用。地下工程在建筑工程中也起著越來越重要的作用，隨著地下工程越做越大、越做越復雜，地下工程設計的難度也越來越大。地下環境的不穩定性、建筑工程所在位置和相關地理條件、地下室抗浮能力、地基的不均勻沉降等因素都會影響地下工程設計質量。這些問題處理的是否妥當關乎到整個建筑設計的成敗。因此，在地下室建筑設計過程中要科學合理地處理這些問題，才能確保地下室的安全可靠使用，從而產生合理的經濟效益。

地下室結構設計應從地基與基礎的相互協同作用、地下室外墻設計、地下室頂板對上部結構嵌固作用等方面入手考慮。首先，設計應根據地質條件選擇合理的地基處理方案、基礎形式，初步驗算評估備選方案的結構可靠度、施工難易程度及方案的經濟性等，此階段應與建設方進行充分溝通，盡快確定地基基礎方案以便進行下一步的結構設計工作；設計計算階段應建立合理的結構模型，計算地下室的各項參數，確保地下室能夠滿足上部結構的嵌固條件、地下室的整體穩定及對應構件的驗算等；最后，根據計算結果繪制施工圖。

2基礎設計

《高層建筑混凝土結構技術規程》第12.2條規定：“高層建筑的基礎設計，應綜合考慮建筑場地的工程地質和水文地質狀況、上部結構的類型和房屋高度、施工技術和經濟條件等因素，使建筑物不致發生過量沉降或傾斜，滿足建筑物正常使用要求；還應了解鄰近地下構筑物及各項地下設施的位置和標高等，減少與相鄰建筑的相互影響。”。

2.1　地基承載力計算

塔樓部分傳至基礎的豎向荷載標準值和與其相連的裙房(或地下室車庫)處相差很大，一般情況下兩者的地基處理方式也不同。對于大底盤的地下室基礎應分別驗算地基承載力。

1)塔樓部分基礎計算時，由于風荷載等水平荷載作用邊角軸力較大，地基承載力應適當提高到1.1～1.2倍。高層建筑物還應分別計算“重力荷載與水平荷載標準值組合”及“重力荷載標準值與多遇水平地震標準值組合”下的基地零應力區范圍，以滿足結構整體傾覆穩定。

2)上部無塔樓的地下室部分計算，不僅需要驗算地基承載力，還應該按照《全國民用建筑工程設計技術措施》的抗浮驗算公式進行抗浮驗算。

2.2　抗浮計算

結構抗浮驗算必須根據巖土工程勘察單位提供的地下水浮力的設計水位進行驗算。當抗浮水位較高，上部無塔樓的地下室部分抗浮驗算不能滿足要求時。應綜合比較經濟技術條件采取抗浮錨桿、抗拔樁和配重法來進行整體抗浮。

2.3　地基變形

長寬尺寸很大且上部荷載差異懸殊的地下室整體設計，是結構設計難題。如何控制因為地下室混凝土收縮應力和溫度應力產生裂縫是工程質量保證的要求之一，工程中常用的措施有很多，通常采取綜合措施：主裙樓設置的沉降后澆帶、地下室的伸縮后澆帶、膨脹加強帶、混凝土中增加添加劑和抗裂纖維等。

施工階段通過提高施工質量、加強混凝土的養護、做好保溫隔熱、減小混凝土的收縮和溫度變形等措施進行裂縫控制。沉降后澆帶設置在上部荷載很大的塔樓周圈，其基礎沉降與周圍裙房和地下室的基礎沉降相差很大，因此，沉降后澆帶必須待主樓封頂，沉降觀測穩定后才能封閉。一般情況下，筏板基礎沉降后澆帶可設置在塔樓與相鄰裙房的第一跨內。伸縮后澆帶及膨脹加強帶，主要用于減少混凝土的收縮應力，伸縮后澆帶一般在混凝土澆筑60 d后才可以封閉，而膨脹加強帶可以與主體結構一起澆筑。對于超長地下室結構應設置一定數量的伸縮后澆帶。

基礎不均勻沉降會導致基礎產生傾斜，建筑物總重心對基礎底面形心產生新的傾覆力矩，新的傾覆力矩增量增加基礎傾斜度。為減少基礎產生的傾斜，應盡量使結構豎向重心與基礎底面形心重合。實際工程中建筑物平面形狀復雜，應按規范規定的偏心距進行控制。另一個方面控制地下室基礎底面持力層綜合沉降量、提高地下室周邊回填土質量，有利于確保地下室嵌固、抗震及抗傾覆。

2.4　工程實例

這里舉例說明一工程實例，某單層地下室柱網為8.1 m×8.1 m，頂板填土厚度1.2 m，地下室頂板標高為-1.650，地勘提供的抗浮水位為-1.250，地下室底板底標高為-6.100。基礎形式采用天然基礎(或樁基)加防水板的方案。重力荷載代表值為G=44.5 kN/m2，浮力S=(6.1-1.25)×10=48.5 kN/m2，由此可知顯然需要考慮抗浮措施。單位面積(柱網8.1 m×8.1 m)所需抗浮力為F=554 kN。工程所處地區地基承載力特征值為fak=90 kPa。取標準組合設計值柱底最大軸力3 900 kN。

方案一：獨立基礎+防水板+錨桿

錨桿計算：N=πD∑(Li·qsi)÷K=6=86.03 kN，La=∑Li=18 m。

單位面積(柱網8.1 m×8.1 m)：所需錨桿數量為7根，所需獨立基礎面積為5 m×5 m。

表1　錨桿及樁基設計參數建議值

方案二：樁承臺+防水板

單樁承載力計算：Ra=qpaAp+πD∑Li·qsi=373 kN。樁長：L=11 m。

抗拔承載力約為：U=0.6πD∑Li·qsi=171 kN。

抗拔承載力計算單位面積(柱網8.1 m×8.1 m)：所需管樁數量為4根(11 m樁)。

單樁承載力計算：Ra=qpaAp+πD∑Li·qsi=1 018 kN。樁長：L=20 m。

綜上，計算單位面積(柱網8.1 m×8.1 m)所需管樁數量為4根(20 m樁)。

經綜合考慮結構安全、施工方案、當地經驗及造價比較后，此工程選用樁基方案。

地基基礎是保證建筑物安全和滿足使用要求的關鍵之一。地下室基礎設計必須滿足強度、變形和上部剪力墻結構對基礎結構的強度、剛度和耐久性要求。上部荷載的選取是基礎設計的關鍵，軟件計算模型能否真實反映結構計算，同時還要根據地層的具體條件通過計算軟件反映基礎跟地基共同工作，這都是地下室基礎設計的主要內容。

3外墻設計

地下室外墻設計主要考慮的荷載有：側向土壓力、地下水壓力、地面堆載及活載、防核爆等效靜荷載等。外墻設計時應考慮外墻受力情況，一般情況下可采用1 m寬墻帶進行設計，此時外墻豎直方向為主受力方向。當地下室外墻與塔樓重合時，與外墻垂直相交的墻肢可當做外墻支座考慮，由于塔樓墻肢間距相對較小，此時外墻以水平方向為主受力方向。

一般情況下，地下室底板可看做外墻的固定端，地下室頂板及中間層樓板可作為外墻的鉸接支座。對于設計中靠近地下室外墻的整跨配電房預留樓洞處及扶壁的地下室車道處，計算時應注意按上部懸挑模型計算。塔樓結構豎向構件與地下室外墻交接處，塔樓豎向構件混凝土強度等級與地下室外墻不一致，與塔樓豎向構件相接處的外墻應驗算軸壓比，并應進行局部受壓計算。

地下室外墻最好在有集中力作用處(地下室頂板梁支撐處)加附壁柱或暗柱。地下室外墻上開洞應符合規范要求，一般水電設備管洞按設備專業要求預留防水套管，對于水電設備管洞密集的地方，應采取相應措施群管穿墻。外墻上開洞后對于一般的水電預留防水套管洞，尺寸較小的預留洞口可不做加固處理，對于直徑較大的洞口，必須采取補強措施。具體做法可參照《混凝土結構構造手冊》關于墻體洞口補強構造措施進行設計。

《地下工程防水技術規范》規定，防水混凝土結構裂縫寬度不得大于0.2 mm。地下室外墻裂縫寬度驗算往往是外墻配筋率的控制指標。地下室外墻的大尺寸混凝土收縮時會產生較大的拉應力，直至出現收縮裂縫，因此對于地下室外墻的抗裂性能的驗算十分重要。采用補償收縮混凝土，設置后澆帶、膨脹加強帶等都是現在工程中常用的抗裂措施。此外，地下室外墻與底板的連接構造、室外出入口與主體結構相連處的沉降縫都是地下室外墻設計應注意的部分。

4頂板設計

大底盤地下室地上有多棟獨立塔樓結構，設計時塔樓嵌固部位可選在地下室頂板，也可選在地下室底板。

地下室頂板作為上部結構的嵌固端，上部塔樓可作為單獨計算模型進行計算，力學模型簡單。相應的地下室頂板必須要符合《建筑抗震設計規范》第6.1.14條和《高層建筑混凝土結構技術規程》第 3.6.3條相關規定。要求地下室頂板厚度應≥180 mm，混凝土強度等級≥C30，地下室頂板雙層雙向配筋，每個方向配筋率應≥0.25%。地下室結構的樓層側向剛度應大于首層側向剛度的2倍，地下室柱截面每側的縱向鋼筋面積除滿足計算要求外，尚應大于地上一層對應柱每側縱筋面積的1.1倍要求。

地下室頂板設計時應綜合考慮建筑、景觀、道路、設備管線、附屬設施及人防等效靜荷載等的荷載。塔樓及裙房范圍內應根據建筑設計圖紙相應取值，且應考慮施工階段的承載力驗算，因此綜合考慮樓板活荷載取值不應小于5 kN/m2。室外部分景觀覆土應根據覆土厚度進行取值。消防車道部分應根據規范規定的荷載進行取值，同時考慮到覆土厚度，荷載經擴散后傳遞到地下室頂板的荷載已經大大減小，也應根據相應規范公式進行計算取值。人防荷載應根據人防等級按人防規范計算后取值，由于人防荷載為一次作用的動荷載，計算時應根據人防規范取相應的荷載組合進行計算。

根據規范要求，地下室頂板厚度配筋率均有最小要求，根據《地下工程防水技術規范》規定，防水混凝土結構厚度不應小于250 mm，這就使得地下室頂板在結構方案設計時應進行方案比較。對于梁板結構而言，由于規范規定的頂板最小厚度大于計算所需板厚，因此應盡量采用大板方案，在保證裂縫寬度及撓度要求的情況下以充分利用板厚。

5底板設計

當地下室底板作為上部結構的嵌固部位時，結構屬于《高層建筑混凝土結構技術規程》第10章大底盤上多塔樓的復雜高層建筑結構。大底盤上多塔樓的復雜高層建筑結構屬于不規則的結構形式，不僅增加了整個項目投資，而且也為結構計算帶來了更多的挑戰。對于多層地下室結構，當地下室不適宜做嵌固部位時，也可考慮將嵌固部位下移到地下其余樓層。

此外，由于一般塔樓結構剪力墻布置與地下室柱網錯位較大，次梁數量減少也會使異形板數量減少。梁板結構傳力清晰，抗震性能好，技術成熟，應用廣泛，安全可靠；不足是梁高度大，影響使用空間，經濟性效益差。無梁樓蓋方案節省使用空間，構造簡單，整體性好，建筑空間大，可有效地增加層高。但是，無梁樓蓋體系建筑物地震效應也要明顯小于層高較大的梁板結構體系的建筑物，由于取消了肋梁，無梁樓蓋體系抗彎剛度減小，撓度增大，柱子周邊的剪應力高度集中，可能會引起局部板的沖切破壞。側向剛度比較差，層數較少時可以設置板柱結構來抵抗水平荷載，當層數較多或要求抗震時，一般需要設剪力墻來增加側向剛度。

6結語

地下室結構設計是建筑工程設計中比較復雜和重要的部分，地下室工程占整個工程造價比例越來越高，此結構設計合理與否對于工程造價，結構安全和正常使用有直接影響。設計過程中應對地基基礎、地下室外墻、地下室頂板等關鍵部位的設計要點深入分析研究，提高設計水平，確保結構安全，施工合理，經濟適用。

參考文獻

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