高层建筑地下室结构设计研究

周俊威

如今，在高层建筑工程中，多设置若干层地下室，用于地下车库和设备用房。为保证整体结构的合理性，需切实做好地下室结构设计，充分考虑设计中的每个环节，保证设计的可行性、合理性及经济性。

1 主、裙楼之间的关系

1.1 变形缝

变形缝是抗震缝、伸缩缝与沉降缝的总称，是否需要设置变形缝主要和场地类别与基础形式有关。某高层建筑地下室总平、剖面如图1所示。

本高层建筑主楼地上26层，总建筑高度为100m，设1层地下室；裙楼地上4层，设2层地下室。本建筑处在7度设防区，在筏形基础以下，均采用预制混凝土方桩。根据设计原则，因主、裙楼的高度和荷载相差悬殊，且建筑物的总长严重超限，所以必须在主、裙楼之间布置变形缝。但在地下室，不布置变形缝，将其连成整体。这样做的目的在于：①如果布置变形缝，则会对地下室正常使用造成影响，裙楼伸入到主楼地下室施工困难；②布置沉降缝，会使主、裙楼的一方产生桩基后退，这样不仅会造成桩位难以布置，而且还会出现悬挑；③从工程实践可以看出，只要设计合理，建筑沉降量通常很小。本建筑主、裙楼以下均为预制混凝土长桩，同时予以加强处理，避免产生不均匀沉降；其四，掩埋在土体中的结构，其受到的大气影响比地面结构小。为防止地下室产生收缩开裂，并避免受到地上温度等因素的影响，不仅要在裙房的其中一侧布置后浇带，而且还要在主、裙楼之间布置伸缩缝。

是否需要设置变形缝主要和场地类别与基础形式有关，以某工程实例为例进行分析。本工程处在7度设防区，主楼地上21层，总建筑高度为70m，用于办公；裙楼地上4～5层，总建筑高度为22m，用于开展活动与住宅，采用框架结构。主、裙楼设1层地下室，高度相等，同时在的底板以下设置混凝土灌注桩。由建筑功能可以看出，如果将主、裙楼连成一个整体，则因主楼的平面相对较小，且裙楼纵向很长，所以必定产生扭转。此外，从使用的角度讲，柱网和层高都很难进行协调。所以应布置沉降缝，将主、裙楼分开，这是合理可行且切实必要的。然而，因布置沉降缝后，会使主楼在布置变形缝的一侧丧失侧向限制，受水平方向的作用力后，产生侧移。所以应在双墙双柱之间充填粗砂，用于对水平方向上的地震力进行传递。

1.2 刚度平衡

图1 地下室总平、剖面

在主、裙楼的地下室相联结，且裙楼地下室面积很大时，由于二者的竖向刚度存在很大偏差，会产生刚度不平衡这一实际问题。对于高层建筑，其剪力墙大多设置到地下室，使地下室和上部构成有较大刚度的整体。裙楼多采用框架结构，如果其平面面积相对较大，则裙楼刚度将小于主楼。在主、裙楼的地下室相联结后，必定协同作用，发生协调变形。这一情况下，因裙房竖向刚度较为柔软，在联结处周围可能产生弯曲变形，形成剪应力与弯曲应力。此外，因联结处刚度突变，所以应力容易集中于此处周围，如果应力达到混凝土极限强度以上，则构件将产生开裂。针对这一现象，应在结构设计过程中对地下室结构刚度予以加强。特别是在弯曲变形方向上分布的竖向刚度，同时注意联结处强度及刚度过渡等实际问题。

2 主体外局部地下室房间的处理

对于主体外局部地下室房间，即将全部落地形式的地下室结构作为主体，考虑到建筑与设备实际需要，还会在主体外部布置悬挑房间。该房间属于局部性质，或和主体基础的底板保持联结，也会在某层高处进行挑出。对于局部房间，无法和主体基础的底板一同按照现行理论实施分析计算，但和主体同时发生下沉。某高层建筑所设三层地下室如图2所示，其底板以下采用灌注桩基础。为满足设备布置方面的要求，于负二层增设一处房间，将其直接放置在地基上。在进行这一房间的设计工作时，应进行以下考虑：①将这一房间视作在主体上嵌固的悬臂构件，和主体结构相联的房间，其两侧墙体视作主体上的悬臂深梁；②房间的顶板承担上部覆土重量与从地面上不断传递而来的活荷载。应注意的是，房间下部地基反力不单单是由房间自重产生。在与主体相连后，伴随上部施工不断进行，荷载不断积累，房间和主体同时产生沉降；③虽然悬臂深梁属于主要承重构件，但用于承担上、下部荷载的顶板和底板，同样为在主体上进行嵌固的悬臂构件，所以，受到面荷载持续作用后，主体和板之间的交界面将产生剪力和弯矩，在设计过程中不可忽略（如图2所示）。

3 悬臂基础板处理

（1）伴随上部荷载不断作用，整体建筑产生沉降，荷载由基础底板不断向地基与桩基传递。受桩基与基底土作用后，承台如同倒放在上部墙柱以上。

（2）对于悬臂基础板以下反力方面的问题，通过以上分析可以看出，部分荷载将由基础板不断传递到地基。从基础板角度讲，不同部分地基反力保持均匀且一致，如果工程处在软弱地基，则会产生沉降，从现有文献可以看出，反力可取总荷载的10%，同时和基础板中的恒荷载反力对比，从中选取较大值。同样，这一部分的反力也应控制在地基土承载能力以内。

（3）受地基反力与水浮力后，悬臂板将发生一定程度的翘曲。此时，需要将桩排以外到基础板以外边缘的距离为依据对悬臂板进行准确计算。

（4）在悬臂基础板中，纵向嵌固带属嵌固端，主要承担从基础板上传递来的剪力及弯矩。与此同时，在基础板上，嵌固条带为柱上板带。可见，可将基础板视作在墙柱倒放的无梁楼盖。受桩群与地基反力等实际作用后，根据无梁楼盖的基本原理，对于纵向嵌固条带，它承担主要的反向荷载，意义重大。基于此，对嵌固带宽度进行计算时，需要按照纵向桩距离来计算，当然也可根据柱上板带实际宽度完成计算。

图2 某高层建筑地下三层结构

（5）对悬臂基础板以上的实际荷载进行计算时，板端外墙和从顶板上传递的荷载都属于集中线性荷载，并且只考虑恒载，对覆土的重量可不予考虑，在计算过程中不取相应的数据。

从已有的工程实例中可以看出，地下室刚度是使结构产生协同工作的重要基础。若对基础板的实际悬臂长度予以增大，则只依靠板底抵抗弯曲应力会显得十分乏力，这一情况下，可按照一定间隔距离设置工字型截面，进而提高抗弯截面的实际高度。也可在板体的端部增设抗拔桩，以此对实际的受力状态予以有效改善。

4 结束语

在高层建筑工程中，地下室的设计涉及到很多不同方面，仍有诸多问题亟待解决。以上研究从宏观角度研究了地下室设计，得出以下结论：

（1）在地下室结构中，变形缝设置需要综合考虑实际情况，严格按照联得牢固和脱得彻底的基本原则实施结构设计。

（2）重视并有效加强结构刚度，同时尽可能避免刚度突变，尤其是在联结处，不能存在突变的情况，否则将对结构的整体性造成影响。

（3）对于地基反力准确取值，其本质上属于桩基和地基土之间荷载合理分配的问题。按现有文献资料与相关工程经验，地基土的分配值应取建筑物总荷载的10%。