淺析開敞地下室的高層結構設計

黃超峰

北京華巨建筑規劃設計院有限公司福州分公司

1 工程概況

本項目位于福清市海口鎮則徐大道南側，305省道東側，由7棟分別為28～33層的高層住宅組成，下設一層（局部兩層）地下室。擬建場地屬于丘陵坡地地貌，地勢北高南低，西高東低。因場地標高變化急劇，方案設計為避免深挖高填，南側地下室底板標高已大致與室外地面標高持平。

2 設計條件及待解決問題

2.1 設計基本條件

根據《建筑結構可靠性設計統一標準》的規定，本工程設計基準期為50年，結構的設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級。

根據《中國地震動參數區劃圖》的規定，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第三組，建筑物場地類別為Ⅱ類。

根據《建筑抗震設防分類標準》的規定，本工程抗震設防類別為標準設防類（丙類）。

基本風壓：WO=0.80kN∕m2（50年一遇）；地面粗糙度C類，風荷載體型系數按照《高規》附錄計算取1.34。

根據地勘資料，場地土層揭示如下：1雜填土；2粉質黏土；3全風化凝灰熔巖；4砂土狀強風化凝灰熔巖；5碎塊狀強風化凝灰熔巖；6中風化凝灰熔巖。高層基礎采用旋挖灌注樁，持力層取中風化凝灰熔巖。

2.2 結構設計所存在問題

本項目因地下室南向全敞開，與通常情況下全埋地下室有所區別，所帶來問題如下。

（1）上部結構設計時，地下室是否需定義為裙房，即本項目是否屬于帶大底盤多塔結構。

（2）基礎設計時，主樓基礎面標高同現有室外地面標高，埋深不滿足建筑地基基礎設計規范的要求：在抗震設防區，除巖石地基外，天然地基上的箱形和筏形基礎其埋置深度不宜小于建筑物高度的1∕15；樁箱或樁筏基礎的埋置深度（不計樁長）不宜小于建筑物高度的1∕18。

3 上部結構受力分析及設計

3.1 受力分析

首先，當高層建筑帶裙房時，因受建筑條件限制，塔樓結構質心與底盤結構質心普遍存在偏心，在水平力作用下，結構容易產生較為復雜的扭轉振動。

其次，與常規全埋地下室側墻四面圍合有所不同，非全埋地下室側墻往往出現單側或兩側無側墻的情況，此現象將進一步造成地下室剛度中心與質量中心偏離，加劇扭轉效應。

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

上述多種因素下，帶敞開地下室的高層結構在水平力作用下，無側墻一側的地下室遠端將存在明顯的扭轉效應。

對此，為削弱此類結構的扭轉效應，可沿地下室開敞一側人為增設鋼筋混凝土外墻，使地下室四周側墻圍合，形成側向剛度很大的結構體系。在水平力作用下，此地下室側向變形將趨近于零，地下室遠端的扭轉效應將被大大削弱。

分別取地下室側墻不圍合與圍合兩種模型計算，其結果對比如圖1、圖2。

側墻不圍合時，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向風荷載工況下：1∕3291，Y向風荷載工況下：1∕7001側墻圍合時，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向風荷載工況下：1∕9999，Y向風荷載工況下：1∕9999。側墻不閉合時，一層最大位移比及最大層間位移比均為1.41，側墻圍合時，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，此類地下室可認為與普通全埋地下室并無太大差異，不屬于主體結構的裙房，上部結構亦不屬于多塔結構。

3.2 上部高層包絡設計及構造加強措施

（1）敞開地下室雖人為增設側墻封閉，但由于室外無覆土約束，上部單體結構應偏于安全按無地下室進行設計，計算高度取至地下室底板面。

（2）上部單體雖按嵌固于基礎面設計，但地下室頂板的實際約束作用不可忽略，需另按嵌固于地下室頂板面進行包絡設計。

（3）當地下室頂板不可避免存在高差變化時，為保證頂板位置水平力傳遞路徑的連續有效，頂板高低差處均采取加腋措施，防止頂板形成錯層結構，造成傳力途徑中斷。

4 基礎受力分析及設計

4.1 基礎形式選取

根據地勘報告，本工程采用旋挖灌注樁基礎，樁身直徑900mm，持力層取為中風化凝灰熔巖，樁長約20m，樁身混凝土強度采用水下C35，樁身配筋取14根20，樁身配筋率約為0.69%。

4.2 基礎受力分析

根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 5007—2011）第5.1.3條，“高層建筑基礎的埋置深度應滿足地基承載力、變形和穩定性要求。位于巖石地基上的高層建筑，其基礎埋深應滿足抗滑穩定性的要求。”《建筑地基基礎設計規范》（GB 5007—2011）第5.1.3條條文說明，“根據相關工程實踐經驗和科研成果，在考慮了地震作用和地基的種種不利因素，并采用圓弧滑動面法進行分析后可知，高層建筑地基整體穩定安全系數隨基礎埋深增加而提高。”規范關于基礎埋深的相關規定，旨在保證建筑地基整體穩定性。

考慮到建筑抗震設計規范中，建筑物抗震設防以“三個水準”作為設防目標，即實現建筑物“小震不壞、中震可修、大震不倒”為最終目的，結合地基基礎設計規范及抗震設計規范，當建筑物基礎無埋深時，若建筑物基礎在小震及大震工況下，均能滿足抗傾覆、抗滑移的穩定性驗算，則認為該基礎設計滿足建筑地基整體穩定性要求，并符合抗震設計關于建筑物“三個水準”的抗震設防目標。

因地下室非全埋，無室外覆土約束，在水平力作用下，基底彎矩及剪力將直接由基樁承受。基底彎矩作用下，群樁一側受拉，一側受壓；剪力作用下，基樁在承臺作用下共同受剪。基礎力學模型簡化如圖3。

圖3 基礎受力模型圖

因此小震及大震工況下，若基樁均能承受相應工況下的產生的最大水平剪力、拉力、以及壓力，則認為該基礎設計可滿足相關規范的要求。

4.3 基礎驗算

本文暫以大震工況下基礎受力驗算進行分析。

4.3.1 基樁受壓驗算

根據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008），樁身抗壓強度：

考慮大震工況，fc取fck，fy取fyk，不考慮鋼筋折減系數，成樁工藝系數Ψc取0.8，則樁身抗壓強度標準值：

經計算，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，小于樁身抗壓強度，大震工況下基樁受壓驗算滿足要求。

4.3.2 基樁受拉驗算

不考慮混凝土抗拉強度，根據樁基規范，單樁抗拉強度標準值即為樁身鋼筋抗拉強度標準值，Nt≤fykAS=400×4396=1758kN。經計算，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，小于樁身抗拉強度標準值，大震工況下基樁受拉驗算滿足要求。

4.3.3 基樁抗剪驗算

根據樁基規范，對于樁身配筋率ρg≥0.65%的灌注樁，可按下列公式計算單樁水平承載力特征值：

大震工況下基樁抗剪承載力驗算滿足要求。

綜上，大震工況下，該基礎設計滿足地基與基礎設計規范中關于整體穩定性的要求。

5 結論

雖本項目高層建筑因沒有埋置深度，對其抗震性及整體穩定性產生一定的不利影響，但經合理的結構設計及采取必要的加強措施后，此類建筑亦能滿足相應的安全性及抗震性，實際設計中采取的具體措施如下：（1）人為增設地下室側墻并使之圍合，減小開敞地下室的不利影響；（2）通過對大震工況下的樁基計算，保證其基礎整體穩定性；（3）加強頂板、底板的厚度及配筋率，并對頂板、底板高低差位置進行加腋處理。