地下室結構優化設計分析

夏啟文

一、地下室抗浮設計的合理取值

1. 抗浮水位取值

（1）、地質勘探報告應明確地下工程抗浮設防水位，對潛水、承壓水及地面滯水應有明確水位描述及水力聯系。

（2）、全埋地下室及半埋地下室均應滿足整體抗浮與局部抗浮要求，并進行建筑物的構件的強度及剛度驗算。地下室設計中應注明施工期間的抗浮具體要求，避免發生施工期間的地下室上浮或對抗拔樁（或桿件）造成超載的工程事故。

2. 抗浮設計

（1）、利用結構自重的抗浮構造措施：

抗浮荷載計算時，應考慮底板柱墩凸出底板那部分的壓重;外墻處可考慮將底板挑出，此部分回填密實土以此來增加上部結構自重。除此之外還可以增大地下室底板面以上回填層厚度，回填材料采用重混凝土（容重30KN/m3）。

（2）、抗浮樁及抗浮錨桿

a）當設置抗浮樁時，一般根據柱墩大小預估柱下最佳樁數，原則上做到標準跨或大面積的柱下的布樁能基本用足單樁抗拔特征值。

b）設計抗浮樁時，樁長超過 6 米時，考慮到經濟性，可根據抗浮力的大小對樁身分段配筋（將下部約 1/3 段的配筋部分截斷）。

c）當采用預應力管樁作抗浮樁時，同一單元可采用不同樁徑及樁長。

二、主樓地下室嵌固端的選擇

1. 地下室頂板必須具有足夠的平面內剛度，以有效傳遞地震基底剪力。所以地下室頂板應避免開設大洞口，頂板厚度不宜小于180mm。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。

2. 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。

3. 地下一層抗震墻墻肢端部邊緣構件縱向鋼筋的截面面積，不應少于地上一層對應墻肢端部邊緣構件縱向鋼筋的截面面積。

三、地下室頂板結構體系比較及造價差異分析

1.地下室頂板的結構體系概況及造價參數

柱網7.8mx8.1m，頂板覆土1.2m，地下室頂板可以采用井字樓蓋、單向梁樓蓋、框架梁+大板樓蓋、框架梁加腋+大板樓蓋、密肋梁樓蓋幾種形式，經過大量設計實例后的統計后，將其優劣勢總結如下：

（1）、對于標準的7.8X8.1柱網覆土1.2m地下室工程，頂板結構體系綜合

成本順序：無梁樓蓋<單向梁<井字梁樓蓋<有梁大板，有梁樓蓋包括（框架梁加腋+大板、框架梁+大板）。無梁樓蓋在單層地下室頂板中的優勢是明顯的，特別體現在含鋼量上，根據各類材料中所占比重來看，含鋼量導致各樓蓋的單方造價差異會更大。

（2）無梁樓蓋一般應用于附建式無主樓大底盤地庫中。主樓以地下室頂板為嵌固端時，主樓及相關范圍內一般采用有梁樓板。梁樓蓋設計要使用有限元分析計算軟件，從無梁樓蓋的一些工程事故來看，無梁樓蓋的薄弱環節在柱帽，應加強柱帽抗剪設計，施工前要對柱帽施工縫的留置位置的進行技術交底。

（3）、采用單向梁方案時，要設備專業根據單向梁的方向調整管線走向方能降低地下室層高，才能發揮此種結構體系的降低層高的優勢。

（4）、當柱網較小，頂板有防水板最小厚度要求，做有梁結構時可采用主梁大板方案，控制板厚與構造配筋率的關系，充分發揮板的承載力。

（5）、雙層地下室，負一層樓面荷載較小，一般采用單向梁結構體系。

（6）、計算框架梁+大板體系時，考慮梁板協同作用，有利于優化框架梁與大板的結構配筋。

四、地下室頂層梁板構造措施優化

1.地下室頂板荷載取值

（1）、頂板恒荷載取值一般根據建筑規劃專業提供的覆土厚度，而建筑規劃專業一般按平均覆土厚度，但景觀專業在設計過程中，局部需要堆高造景，覆土厚度增加，可根據堆土的等高線確定不同的覆土厚度區域來取頂板恒載。

（2）、消防車道及登高面等消防車荷載，可以根據其位置分區域取值，一般消防車道處于兩跨之中，在計算模型輸入時，消防車道荷載取值可考慮與其他樓板折算。

2.頂板配筋優化

（1）純地下室頂板配筋總優化原則：控制通長鋼筋的配筋率，特別是板面鋼筋，一般均按構造配筋率控制，并與板厚相協調（必要時可以調整板厚），不足部分加短鋼筋，個別板塊可以原位標注等等;

a）板頂采用部分通長筋加附加短筋的形式，通長鋼筋用量應接近最小配筋率要求，根據板的配筋包絡圖確定附加鋼筋的用量和長度。

b）板裂縫寬度計算時需考慮支座梁的剛域影響。

c）頂板局部跨度較大或荷載較大處板塊應根據實際情況進行比較，采用加厚板或設置次梁的方案。

d）當下部鋼筋計算值明顯不均勻時，應分區配置頂板拉通鋼筋，不足部分附加短鋼筋。

（2）主樓下地下室頂板一般為主樓嵌固端，板厚按規范要求為180mm，主樓開間一般較小，盡量減少頂板次梁的設置，充分發揮嵌固端厚板的作用，已達到板構造配筋率的充分發揮。

3.梁截面及配筋

（1）梁上部拉通筋避免選擇較大規格的鋼筋，當滿足框架梁上下截面配筋比值時，上部筋能采用架立筋時盡量采用小直徑架立筋。

（2）主樓外地庫 350 寬的框架梁，局部箍筋 3 肢箍能滿足要求的，配置 3 肢箍;間距盡量細化，以減少大面積的箍筋配筋。

五、地下室內外墻設計

地下室外墻采用抗浮水位進行承載力計算，按常年水位驗算裂縫，采用分離式配筋，按彎矩包絡圖配筋。

1.當地下室頂板與外墻采用固接時，外墻計算時可考慮頂板傳遞彎矩對外墻彎矩分布的有利影響。（按固端與鉸接之間的彈性支座考慮）

2.外墻豎向配筋應采用通長鋼筋加附加短筋的形式，附加鋼筋長度應根據配筋包絡圖合理確定。

3.地下室層高較高時，為減小外墻計算高度，可考慮加豎向腋墻或水平腋墻，變成雙向受力板模型等措施。

4.地下室外墻不應設置暗梁，墻頂外側豎向筋水平錨入頂板即可。

六、地下室基礎設計

1.基礎選用原則

首先判斷能否采用天然地基，當天然地基時不能滿足要求時，再考慮采用樁基礎;在合適的情況下，可結合當地成熟經驗，考慮采用復合地基方案。（一般情況下：天然地基<復合地基<樁基）

2.樁型、樁長的選擇

a）當采用樁基時，樁型的選擇應結合地質條件，并應提前進行試樁，找出經濟合理的樁型和承載力。

b）提供相同承載力時的價格：空心方樁<管樁<實心方樁<鉆孔灌注樁;一般情況下優先考慮選用空心方樁和管樁，在空心方樁和管樁因工程場地地質情況或地方規定不能采用的情況下，再考慮選擇鉆孔灌注樁。當場地持力層埋置較淺時，可考慮采用人工挖孔灌注樁。

3.天然基礎形式

a）當采用天然地基時，一般采用筏板+下柱墩（無梁樓蓋+柱帽），傳力直接，經濟性好，方便施工。

b）當天然地基持力層承載力高且底板水反力不大時，可采取獨立柱基+防水板的形式。

c）當存在軟弱土需采用樁基時：采用樁基承臺+防水板的形式。淤泥質土層很厚時，管樁直徑要大，承載力適當折減。

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