高层地下室结构设计浅析

高层地下室结构设计浅析

孙志，刘罗炜

(中国建材国际工程集团有限公司，深圳 518054)

摘要：地下室是高层建筑的重要部分，也是结构设计的难点之一。该文主要分析了高层建筑地下室结构地基基础、地下室外墙、地下室顶板等关键部位的设计要点，并结合工程实例探讨了结构设计初期方案确定的重要性，简要分析了地下室结构设计的技术内涵、经济效益及其相互关系。

关键词：地下室；结构设计；抗浮设计；地下室外墙

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.

作者简介：孙志(1977-)，高级工程师.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

根据国家统计局发布的2014年经济数据，我国城镇化率已达到54.77%。随着城镇人口不断增加，新建住宅小区规模越来越大。为了满足人们的用地需求，越来越多的住宅小区采用整体式大底盘地下室及上部多塔楼的建筑结构体系。地下室面积越做越大，层数也越来越多。在整个建筑总造价中，地下室的造价所占的比重占到了建筑总造价的25%～30%，地下室结构设计成功与否关乎到整个建筑的质量好坏。

1地下室设计综述

现代建筑水平不断发展，地下空间也被越来越多开发和利用。地下工程在建筑工程中也起着越来越重要的作用，随着地下工程越做越大、越做越复杂，地下工程设计的难度也越来越大。地下环境的不稳定性、建筑工程所在位置和相关地理条件、地下室抗浮能力、地基的不均匀沉降等因素都会影响地下工程设计质量。这些问题处理的是否妥当关乎到整个建筑设计的成败。因此，在地下室建筑设计过程中要科学合理地处理这些问题，才能确保地下室的安全可靠使用，从而产生合理的经济效益。

地下室结构设计应从地基与基础的相互协同作用、地下室外墙设计、地下室顶板对上部结构嵌固作用等方面入手考虑。首先，设计应根据地质条件选择合理的地基处理方案、基础形式，初步验算评估备选方案的结构可靠度、施工难易程度及方案的经济性等，此阶段应与建设方进行充分沟通，尽快确定地基基础方案以便进行下一步的结构设计工作；设计计算阶段应建立合理的结构模型，计算地下室的各项参数，确保地下室能够满足上部结构的嵌固条件、地下室的整体稳定及对应构件的验算等；最后，根据计算结果绘制施工图。

2基础设计

《高层建筑混凝土结构技术规程》第12.2条规定：“高层建筑的基础设计，应综合考虑建筑场地的工程地质和水文地质状况、上部结构的类型和房屋高度、施工技术和经济条件等因素，使建筑物不致发生过量沉降或倾斜，满足建筑物正常使用要求；还应了解邻近地下构筑物及各项地下设施的位置和标高等，减少与相邻建筑的相互影响。”。

2.1　地基承载力计算

塔楼部分传至基础的竖向荷载标准值和与其相连的裙房(或地下室车库)处相差很大，一般情况下两者的地基处理方式也不同。对于大底盘的地下室基础应分别验算地基承载力。

1)塔楼部分基础计算时，由于风荷载等水平荷载作用边角轴力较大，地基承载力应适当提高到1.1～1.2倍。高层建筑物还应分别计算“重力荷载与水平荷载标准值组合”及“重力荷载标准值与多遇水平地震标准值组合”下的基地零应力区范围，以满足结构整体倾覆稳定。

2)上部无塔楼的地下室部分计算，不仅需要验算地基承载力，还应该按照《全国民用建筑工程设计技术措施》的抗浮验算公式进行抗浮验算。

2.2　抗浮计算

结构抗浮验算必须根据岩土工程勘察单位提供的地下水浮力的设计水位进行验算。当抗浮水位较高，上部无塔楼的地下室部分抗浮验算不能满足要求时。应综合比较经济技术条件采取抗浮锚杆、抗拔桩和配重法来进行整体抗浮。

2.3　地基变形

长宽尺寸很大且上部荷载差异悬殊的地下室整体设计，是结构设计难题。如何控制因为地下室混凝土收缩应力和温度应力产生裂缝是工程质量保证的要求之一，工程中常用的措施有很多，通常采取综合措施：主裙楼设置的沉降后浇带、地下室的伸缩后浇带、膨胀加强带、混凝土中增加添加剂和抗裂纤维等。

施工阶段通过提高施工质量、加强混凝土的养护、做好保温隔热、减小混凝土的收缩和温度变形等措施进行裂缝控制。沉降后浇带设置在上部荷载很大的塔楼周圈，其基础沉降与周围裙房和地下室的基础沉降相差很大，因此，沉降后浇带必须待主楼封顶，沉降观测稳定后才能封闭。一般情况下，筏板基础沉降后浇带可设置在塔楼与相邻裙房的第一跨内。伸缩后浇带及膨胀加强带，主要用于减少混凝土的收缩应力，伸缩后浇带一般在混凝土浇筑60 d后才可以封闭，而膨胀加强带可以与主体结构一起浇筑。对于超长地下室结构应设置一定数量的伸缩后浇带。

基础不均匀沉降会导致基础产生倾斜，建筑物总重心对基础底面形心产生新的倾覆力矩，新的倾覆力矩增量增加基础倾斜度。为减少基础产生的倾斜，应尽量使结构竖向重心与基础底面形心重合。实际工程中建筑物平面形状复杂，应按规范规定的偏心距进行控制。另一个方面控制地下室基础底面持力层综合沉降量、提高地下室周边回填土质量，有利于确保地下室嵌固、抗震及抗倾覆。

2.4　工程实例

这里举例说明一工程实例，某单层地下室柱网为8.1 m×8.1 m，顶板填土厚度1.2 m，地下室顶板标高为-1.650，地勘提供的抗浮水位为-1.250，地下室底板底标高为-6.100。基础形式采用天然基础(或桩基)加防水板的方案。重力荷载代表值为G=44.5 kN/m2，浮力S=(6.1-1.25)×10=48.5 kN/m2，由此可知显然需要考虑抗浮措施。单位面积(柱网8.1 m×8.1 m)所需抗浮力为F=554 kN。工程所处地区地基承载力特征值为fak=90 kPa。取标准组合设计值柱底最大轴力3 900 kN。

方案一：独立基础+防水板+锚杆

锚杆计算：N=πD∑(Li·qsi)÷K=6=86.03 kN，La=∑Li=18 m。

单位面积(柱网8.1 m×8.1 m)：所需锚杆数量为7根，所需独立基础面积为5 m×5 m。

表1　锚杆及桩基设计参数建议值

方案二：桩承台+防水板

单桩承载力计算：Ra=qpaAp+πD∑Li·qsi=373 kN。桩长：L=11 m。

抗拔承载力约为：U=0.6πD∑Li·qsi=171 kN。

抗拔承载力计算单位面积(柱网8.1 m×8.1 m)：所需管桩数量为4根(11 m桩)。

单桩承载力计算：Ra=qpaAp+πD∑Li·qsi=1 018 kN。桩长：L=20 m。

综上，计算单位面积(柱网8.1 m×8.1 m)所需管桩数量为4根(20 m桩)。

经综合考虑结构安全、施工方案、当地经验及造价比较后，此工程选用桩基方案。

地基基础是保证建筑物安全和满足使用要求的关键之一。地下室基础设计必须满足强度、变形和上部剪力墙结构对基础结构的强度、刚度和耐久性要求。上部荷载的选取是基础设计的关键，软件计算模型能否真实反映结构计算，同时还要根据地层的具体条件通过计算软件反映基础跟地基共同工作，这都是地下室基础设计的主要内容。

3外墙设计

地下室外墙设计主要考虑的荷载有：侧向土压力、地下水压力、地面堆载及活载、防核爆等效静荷载等。外墙设计时应考虑外墙受力情况，一般情况下可采用1 m宽墙带进行设计，此时外墙竖直方向为主受力方向。当地下室外墙与塔楼重合时，与外墙垂直相交的墙肢可当做外墙支座考虑，由于塔楼墙肢间距相对较小，此时外墙以水平方向为主受力方向。

一般情况下，地下室底板可看做外墙的固定端，地下室顶板及中间层楼板可作为外墙的铰接支座。对于设计中靠近地下室外墙的整跨配电房预留楼洞处及扶壁的地下室车道处，计算时应注意按上部悬挑模型计算。塔楼结构竖向构件与地下室外墙交接处，塔楼竖向构件混凝土强度等级与地下室外墙不一致，与塔楼竖向构件相接处的外墙应验算轴压比，并应进行局部受压计算。

地下室外墙最好在有集中力作用处(地下室顶板梁支撑处)加附壁柱或暗柱。地下室外墙上开洞应符合规范要求，一般水电设备管洞按设备专业要求预留防水套管，对于水电设备管洞密集的地方，应采取相应措施群管穿墙。外墙上开洞后对于一般的水电预留防水套管洞，尺寸较小的预留洞口可不做加固处理，对于直径较大的洞口，必须采取补强措施。具体做法可参照《混凝土结构构造手册》关于墙体洞口补强构造措施进行设计。

《地下工程防水技术规范》规定，防水混凝土结构裂缝宽度不得大于0.2 mm。地下室外墙裂缝宽度验算往往是外墙配筋率的控制指标。地下室外墙的大尺寸混凝土收缩时会产生较大的拉应力，直至出现收缩裂缝，因此对于地下室外墙的抗裂性能的验算十分重要。采用补偿收缩混凝土，设置后浇带、膨胀加强带等都是现在工程中常用的抗裂措施。此外，地下室外墙与底板的连接构造、室外出入口与主体结构相连处的沉降缝都是地下室外墙设计应注意的部分。

4顶板设计

大底盘地下室地上有多栋独立塔楼结构，设计时塔楼嵌固部位可选在地下室顶板，也可选在地下室底板。

地下室顶板作为上部结构的嵌固端，上部塔楼可作为单独计算模型进行计算，力学模型简单。相应的地下室顶板必须要符合《建筑抗震设计规范》第6.1.14条和《高层建筑混凝土结构技术规程》第 3.6.3条相关规定。要求地下室顶板厚度应≥180 mm，混凝土强度等级≥C30，地下室顶板双层双向配筋，每个方向配筋率应≥0.25%。地下室结构的楼层侧向刚度应大于首层侧向刚度的2倍，地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积除满足计算要求外，尚应大于地上一层对应柱每侧纵筋面积的1.1倍要求。

地下室顶板设计时应综合考虑建筑、景观、道路、设备管线、附属设施及人防等效静荷载等的荷载。塔楼及裙房范围内应根据建筑设计图纸相应取值，且应考虑施工阶段的承载力验算，因此综合考虑楼板活荷载取值不应小于5 kN/m2。室外部分景观覆土应根据覆土厚度进行取值。消防车道部分应根据规范规定的荷载进行取值，同时考虑到覆土厚度，荷载经扩散后传递到地下室顶板的荷载已经大大减小，也应根据相应规范公式进行计算取值。人防荷载应根据人防等级按人防规范计算后取值，由于人防荷载为一次作用的动荷载，计算时应根据人防规范取相应的荷载组合进行计算。

根据规范要求，地下室顶板厚度配筋率均有最小要求，根据《地下工程防水技术规范》规定，防水混凝土结构厚度不应小于250 mm，这就使得地下室顶板在结构方案设计时应进行方案比较。对于梁板结构而言，由于规范规定的顶板最小厚度大于计算所需板厚，因此应尽量采用大板方案，在保证裂缝宽度及挠度要求的情况下以充分利用板厚。

5底板设计

当地下室底板作为上部结构的嵌固部位时，结构属于《高层建筑混凝土结构技术规程》第10章大底盘上多塔楼的复杂高层建筑结构。大底盘上多塔楼的复杂高层建筑结构属于不规则的结构形式，不仅增加了整个项目投资，而且也为结构计算带来了更多的挑战。对于多层地下室结构，当地下室不适宜做嵌固部位时，也可考虑将嵌固部位下移到地下其余楼层。

此外，由于一般塔楼结构剪力墙布置与地下室柱网错位较大，次梁数量减少也会使异形板数量减少。梁板结构传力清晰，抗震性能好，技术成熟，应用广泛，安全可靠；不足是梁高度大，影响使用空间，经济性效益差。无梁楼盖方案节省使用空间，构造简单，整体性好，建筑空间大，可有效地增加层高。但是，无梁楼盖体系建筑物地震效应也要明显小于层高较大的梁板结构体系的建筑物，由于取消了肋梁，无梁楼盖体系抗弯刚度减小，挠度增大，柱子周边的剪应力高度集中，可能会引起局部板的冲切破坏。侧向刚度比较差，层数较少时可以设置板柱结构来抵抗水平荷载，当层数较多或要求抗震时，一般需要设剪力墙来增加侧向刚度。

6结语

地下室结构设计是建筑工程设计中比较复杂和重要的部分，地下室工程占整个工程造价比例越来越高，此结构设计合理与否对于工程造价，结构安全和正常使用有直接影响。设计过程中应对地基基础、地下室外墙、地下室顶板等关键部位的设计要点深入分析研究，提高设计水平，确保结构安全，施工合理，经济适用。

参考文献

[1]GB 50007—2011，建筑地基基础设计规范[S].

[2]JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]GB 50108—2008，地下工程防水技术规范[S].

[4]GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

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