淺析開(kāi)敞地下室的高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃超峰

北京華巨建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司福州分公司

1 工程概況

本項(xiàng)目位于福清市海口鎮(zhèn)則徐大道南側(cè)，305省道東側(cè)，由7棟分別為28～33層的高層住宅組成，下設(shè)一層（局部?jī)蓪樱┑叵率?。擬建場(chǎng)地屬于丘陵坡地地貌，地勢(shì)北高南低，西高東低。因場(chǎng)地標(biāo)高變化急劇，方案設(shè)計(jì)為避免深挖高填，南側(cè)地下室底板標(biāo)高已大致與室外地面標(biāo)高持平。

2 設(shè)計(jì)條件及待解決問(wèn)題

2.1 設(shè)計(jì)基本條件

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，本工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》的規(guī)定，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，建筑物場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，本工程抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類）。

基本風(fēng)壓：WO=0.80kN∕m2（50年一遇）；地面粗糙度C類，風(fēng)荷載體型系數(shù)按照《高規(guī)》附錄計(jì)算取1.34。

根據(jù)地勘資料，場(chǎng)地土層揭示如下：1雜填土；2粉質(zhì)黏土；3全風(fēng)化凝灰熔巖；4砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖；5碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖；6中風(fēng)化凝灰熔巖。高層基礎(chǔ)采用旋挖灌注樁，持力層取中風(fēng)化凝灰熔巖。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所存在問(wèn)題

本項(xiàng)目因地下室南向全敞開(kāi)，與通常情況下全埋地下室有所區(qū)別，所帶來(lái)問(wèn)題如下。

（1）上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，地下室是否需定義為裙房，即本項(xiàng)目是否屬于帶大底盤多塔結(jié)構(gòu)。

（2）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，主樓基礎(chǔ)面標(biāo)高同現(xiàn)有室外地面標(biāo)高，埋深不滿足建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求：在抗震設(shè)防區(qū)，除巖石地基外，天然地基上的箱形和筏形基礎(chǔ)其埋置深度不宜小于建筑物高度的1∕15；樁箱或樁筏基礎(chǔ)的埋置深度（不計(jì)樁長(zhǎng)）不宜小于建筑物高度的1∕18。

3 上部結(jié)構(gòu)受力分析及設(shè)計(jì)

3.1 受力分析

首先，當(dāng)高層建筑帶裙房時(shí)，因受建筑條件限制，塔樓結(jié)構(gòu)質(zhì)心與底盤結(jié)構(gòu)質(zhì)心普遍存在偏心，在水平力作用下，結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生較為復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

其次，與常規(guī)全埋地下室側(cè)墻四面圍合有所不同，非全埋地下室側(cè)墻往往出現(xiàn)單側(cè)或兩側(cè)無(wú)側(cè)墻的情況，此現(xiàn)象將進(jìn)一步造成地下室剛度中心與質(zhì)量中心偏離，加劇扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

再者，地下室一般為框架結(jié)構(gòu)體系（主樓范圍外），柱位少而疏；上部高層一般為剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻多而密，二者之間抗側(cè)剛度存在顯著差異。

上述多種因素下，帶敞開(kāi)地下室的高層結(jié)構(gòu)在水平力作用下，無(wú)側(cè)墻一側(cè)的地下室遠(yuǎn)端將存在明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

對(duì)此，為削弱此類結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，可沿地下室開(kāi)敞一側(cè)人為增設(shè)鋼筋混凝土外墻，使地下室四周側(cè)墻圍合，形成側(cè)向剛度很大的結(jié)構(gòu)體系。在水平力作用下，此地下室側(cè)向變形將趨近于零，地下室遠(yuǎn)端的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)將被大大削弱。

分別取地下室側(cè)墻不圍合與圍合兩種模型計(jì)算，其結(jié)果對(duì)比如圖1、圖2。

側(cè)墻不圍合時(shí)，一層最大層間位移角分別為：X向地震工況下為1∕2961；Y向地震工況下為1∕9999，X向風(fēng)荷載工況下：1∕3291，Y向風(fēng)荷載工況下：1∕7001側(cè)墻圍合時(shí)，一層最大層間位移角分別為:X向地震工況下為1∕9999；Y向地震工況下為1∕9999，X向風(fēng)荷載工況下：1∕9999，Y向風(fēng)荷載工況下：1∕9999。側(cè)墻不閉合時(shí)，一層最大位移比及最大層間位移比均為1.41，側(cè)墻圍合時(shí)，一層最大位移比及最大層間位移比均為1.13。

故在采取此措施后，此類地下室可認(rèn)為與普通全埋地下室并無(wú)太大差異，不屬于主體結(jié)構(gòu)的裙房，上部結(jié)構(gòu)亦不屬于多塔結(jié)構(gòu)。

3.2 上部高層包絡(luò)設(shè)計(jì)及構(gòu)造加強(qiáng)措施

（1）敞開(kāi)地下室雖人為增設(shè)側(cè)墻封閉，但由于室外無(wú)覆土約束，上部單體結(jié)構(gòu)應(yīng)偏于安全按無(wú)地下室進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算高度取至地下室底板面。

（2）上部單體雖按嵌固于基礎(chǔ)面設(shè)計(jì)，但地下室頂板的實(shí)際約束作用不可忽略，需另按嵌固于地下室頂板面進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

（3）當(dāng)?shù)叵率翼敯宀豢杀苊獯嬖诟卟钭兓瘯r(shí)，為保證頂板位置水平力傳遞路徑的連續(xù)有效，頂板高低差處均采取加腋措施，防止頂板形成錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，造成傳力途徑中斷。

4 基礎(chǔ)受力分析及設(shè)計(jì)

4.1 基礎(chǔ)形式選取

根據(jù)地勘報(bào)告，本工程采用旋挖灌注樁基礎(chǔ)，樁身直徑900mm，持力層取為中風(fēng)化凝灰熔巖，樁長(zhǎng)約20m，樁身混凝土強(qiáng)度采用水下C35，樁身配筋取14根20，樁身配筋率約為0.69%。

4.2 基礎(chǔ)受力分析

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 5007—2011）第5.1.3條，“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)定性要求。位于巖石地基上的高層建筑，其基礎(chǔ)埋深應(yīng)滿足抗滑穩(wěn)定性的要求?！薄督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 5007—2011）第5.1.3條條文說(shuō)明，“根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科研成果，在考慮了地震作用和地基的種種不利因素，并采用圓弧滑動(dòng)面法進(jìn)行分析后可知，高層建筑地基整體穩(wěn)定安全系數(shù)隨基礎(chǔ)埋深增加而提高?！币?guī)范關(guān)于基礎(chǔ)埋深的相關(guān)規(guī)定，旨在保證建筑地基整體穩(wěn)定性。

考慮到建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中，建筑物抗震設(shè)防以“三個(gè)水準(zhǔn)”作為設(shè)防目標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)建筑物“小震不壞、中震可修、大震不倒”為最終目的，結(jié)合地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范及抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)建筑物基礎(chǔ)無(wú)埋深時(shí)，若建筑物基礎(chǔ)在小震及大震工況下，均能滿足抗傾覆、抗滑移的穩(wěn)定性驗(yàn)算，則認(rèn)為該基礎(chǔ)設(shè)計(jì)滿足建筑地基整體穩(wěn)定性要求，并符合抗震設(shè)計(jì)關(guān)于建筑物“三個(gè)水準(zhǔn)”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

因地下室非全埋，無(wú)室外覆土約束，在水平力作用下，基底彎矩及剪力將直接由基樁承受?；讖澗刈饔孟?，群樁一側(cè)受拉，一側(cè)受壓；剪力作用下，基樁在承臺(tái)作用下共同受剪?；A(chǔ)力學(xué)模型簡(jiǎn)化如圖3。

圖3 基礎(chǔ)受力模型圖

因此小震及大震工況下，若基樁均能承受相應(yīng)工況下的產(chǎn)生的最大水平剪力、拉力、以及壓力，則認(rèn)為該基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

4.3 基礎(chǔ)驗(yàn)算

本文暫以大震工況下基礎(chǔ)受力驗(yàn)算進(jìn)行分析。

4.3.1 基樁受壓驗(yàn)算

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008），樁身抗壓強(qiáng)度：

考慮大震工況，fc取fck，fy取fyk，不考慮鋼筋折減系數(shù)，成樁工藝系數(shù)Ψc取0.8，則樁身抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：

經(jīng)計(jì)算，大震工況下基樁最大壓力圖如圖4。

圖4 基樁受壓最大反力圖

基樁最大壓力約為12700kN，小于樁身抗壓強(qiáng)度，大震工況下基樁受壓驗(yàn)算滿足要求。

4.3.2 基樁受拉驗(yàn)算

不考慮混凝土抗拉強(qiáng)度，根據(jù)樁基規(guī)范，單樁抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值即為樁身鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，Nt≤fykAS=400×4396=1758kN。經(jīng)計(jì)算，大震工況下基樁最大拉力圖如圖5。

圖5 大震工況基樁受拉最大反力圖

基樁最大拉力約為1100kN，小于樁身抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，大震工況下基樁受拉驗(yàn)算滿足要求。

4.3.3 基樁抗剪驗(yàn)算

根據(jù)樁基規(guī)范，對(duì)于樁身配筋率ρg≥0.65%的灌注樁，可按下列公式計(jì)算單樁水平承載力特征值：

大震工況下基樁抗剪承載力驗(yàn)算滿足要求。

綜上，大震工況下，該基礎(chǔ)設(shè)計(jì)滿足地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于整體穩(wěn)定性的要求。

5 結(jié)論

雖本項(xiàng)目高層建筑因沒(méi)有埋置深度，對(duì)其抗震性及整體穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的不利影響，但經(jīng)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及采取必要的加強(qiáng)措施后，此類建筑亦能滿足相應(yīng)的安全性及抗震性，實(shí)際設(shè)計(jì)中采取的具體措施如下：（1）人為增設(shè)地下室側(cè)墻并使之圍合，減小開(kāi)敞地下室的不利影響；（2）通過(guò)對(duì)大震工況下的樁基計(jì)算，保證其基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性；（3）加強(qiáng)頂板、底板的厚度及配筋率，并對(duì)頂板、底板高低差位置進(jìn)行加腋處理。