地下室结构设计中关键技术问题探讨

2020-10-12杨烈生

中华建设 2020年9期

杨烈生

一、引言

近年来，随着国家经济快速发展，人民生活水平大幅度提高，交通工具也发生翻天覆地的变化，大部分城市家庭购买了私家车。私家车保有量逐年上升，人们享受了现代科技成果带来的出行便利，同时也造成交通拥堵和停车困难。国家城镇化的发展，导致城镇用地供给矛盾突出，造成建筑向空中发展形成高层建筑，停车向地下发展形成地下室。汽车进入地下车库，减少占地停车，让出部分地面面积做绿化，增加了城市共享空间。有些地方政府，在规划审批时，对住宅小区、商场、餐饮建筑，规定了每100平方米建筑面积应配备相应的车位配比、地下车库面积，作为规划条件；同时，政府为了解决城市基础设施不足造成停车困难的历史现状，政府划出独立式地下停车场供市民停车。因此，修建地下室，汽车入库，顶部做绿化、景观广场供市民享用，促进了土地节约利用，提升城市人居环境质量。地下室结构设计中关键技术问题探讨的目的，是优化地下室结构设计，确保结构安全、合理，充分发挥地下室的经济效益和社会效益。

二、地下室概述

地下室根据埋深和功能不同，分为半地下室、全地下室；普通地下室、人防地下室（战时作为人员隐蔽和疏散场所，平时作为普通停车场的地下室）。

地下室的层数根据规划要求，设置不同层数。地下室的净高不应低于2.2m，层高一般不低于3.6m，层高确定需要考虑消防喷淋管道厚度、通风管厚度、结构梁高和使用净高。

地下室内部的主要功能是停车和设备用房，如配置风机房、配电室、消防泵房、消防水池，战时人员隐蔽。因停车过程中汽车产生尾气，地下室内需要设置机械通风换气；汽车携带可燃汽油，需要设置自动喷淋系统以备应急使用。

地下室顶板覆土厚度，不同的地区有不同的规划要求，一般厚度在1m～2m厚。覆土的目的是将地下室顶部作为景观绿化带、公共活动广场、喷泉水池、消防车通道、扑救场地。地下室顶板还兼做高层建筑的嵌固部位。

地下室同比上部结构一层投资要多，单纯从投资收益上看，投资地下室的经济效益并不好，一些开发商并不乐意建造地下室。所以，一些地方政府规划部门，在项目规划审批中，强制规定规划一定比例的地下室面积，以适应当前和未来城市发展的需求。

三、地下室结构设计的关键技术问题

地下室的建设规模在建筑规划报建阶段已确定初设和施工图阶段，地下室结构设计主要解决：（1）地下室结构布置；（2）基础方案选择；（3）顶板填土荷载及消防车荷载取值与折减；（4）整体抗浮验算；（5）外墙计算；（6）地下室基础受力特点分析；（7）地下室结构设计方法等七个方面的技术问题。

1.地下室结构布置

地下室结构布置包括竖向承重构件（柱网、内外墙体）、水平承重构件（梁、板）、交通设施（楼梯、电梯、坡道）等结构构件布置和洞口布置。

（1）竖向承重构件——柱网、墙体布置

柱网间距，一般布置成8m×8m，标准停车位宽2.4m，长5.3m，每跨可停3辆小车，边跨柱距单向减少为6m、6.5m，柱距6.5m宽，用于坡道部位，满足车辆双行宽度。

框架柱，一般选择矩形或方形，布置成矩形柱时，对停车较为有利。停车位净宽可增加，柱截面长宽可取比1.5∶1.0，边跨框架梁可一端支撑于框架柱上，一端支撑于扶壁柱上。扶壁柱承担梁端弯矩和轴向压力，改善外墙的受力性能。

地下室外墙，一般沿着建筑物外轮廓布置，从外墙防水质量上考虑，墙上扶壁柱（框架柱）与墙外外边线平齐，对防水施工有利。

地下室内墙，一般根据建筑功能布置在消防水池池壁处、上部建筑墙体部位处、不影响停车的中部、楼梯间四壁、坡道两侧壁处、加强结构整体部位处。

（2）水平承重构件——梁、板布置

地下室水平构件一般采用梁板式结构布置。框架梁之间布置井字梁或单向板次梁。当梁不能与塔楼正交时，采用水平斜梁连接传递水平力。

当采用无梁楼盖布置时，优点是室内无梁、美观，层高可降低，但缺点是结构安全度不如梁板结构高，已出现多例无梁楼盖事故。

地下室顶盖布置中，宜适当增加梁宽，减小梁高。因为，梁高而窄时，对地下室净空有影响。梁高可取到到跨度的1/10，梁宽取高度的1/2，如400×800mm，控制梁的配筋率在1.5%左右，即经济配筋率。次梁在框架梁梁格内双向布置成井字型，如：次梁取300×600mm。

顶板厚度，作为嵌故部位不小于180mm，人防构件顶板不小于200mm，防水顶板不小于250mm。综合，顶板厚度不小于250mm。

楼板，主要考虑停放家用小汽车，楼板上的荷载主要是停车荷载，楼层框架梁可比顶盖框架梁高度适当减少，如取350×700mm，次梁250×600mm。

楼板的厚度双向板1/40板跨，单向板1/30板跨，且行车道下的板厚不小于80mm，一般取到100mm；作为人防楼板，厚度不小于200mm。

坡道结构，纵向双梁布置，板厚同楼板，坡度i≤15%。

顶板之间存在适度高差时，应设置斜向水平加腋板传递水平力。

板厚讨论：楼层停放小汽车时，楼板厚度为80mm时，能否满足轮压抗冲切要求？已知，车轮着地面积为长a=200mm，宽b=200mm，车轮荷载F=4.5kN，C20，ft =1.1N/mm2，板厚h=80mm，板保护层C=15mm，h0=60mm，um =1040mm，βh=1.0，η=1.0，板抗冲切验算Fl=0.7βhftηumh0=48kN，因为F＜Ft，即冲切荷载小于抗冲切荷载，所以板的抗冲切承载力满足，即80mm厚的板停放小车时，板厚抗冲切满足。

屋面板通行消防车时，无填土时，板厚180mm能否满足重型消防车的抗冲切验算？已知条件，重型消防车G=300kN，前轴重60kN，后轴重2x120kN，2个前轮，4个后轮，轮重最大值F=60kN，车轮着地面积200x600 mm，C20混凝土ft=1.1N/mm2，板厚h=180mm，板保护层C=20mm，h0=155mm，um=2220mm，βh=1.0，η=0.8，板抗冲切验算Fl=0.7βhftηumh0=212kN，因为F＜Fl，即冲切荷载小于抗冲切荷载，所以板的抗冲切承载力满足，即180mm厚的板停放车重型消防车时，板厚能满足重型消防车轮压冲切验算。

（3）洞口及地坑布置

楼板上、顶板上楼梯间、电梯间、采光通风井等部位开洞，在满足建筑功能时，宜尽量减少开口面积，增加楼面面内水平刚度，开洞率宜小于25%。

坡道洞口布置，高差超过梁高的斜板，按开洞布置处理。

底板上地坑（积水坑）布置时，应避开桩或桩顶降低标高。地坑壁采用斜向变截面与基础底板连接，最小宽度大于底板厚度h，坡度采用600°。电梯间地坑考虑积水排水留置预埋管。

2.基础方案选择

地下室基础方案选择，应根据上部裙房层数、塔楼层数、荷载、地基持力层埋深、地勘报告建议，综合考虑确定。当上部结构为多层建筑、单柱荷载不大、地基承载力较高埋深浅时，基础可采用独立基础＋防水板型基础。当上部结构为高层建筑且单柱荷载较大时，基础可采用桩基＋防水板型基础、桩＋筏板型基础。防水板可采用纯板，也可采用梁板式防水板。

探讨：柱间防水板内是否需要设置基础梁？在笔者设计的多个竣工投入使用的项目中，有的项目地下室防水底板间设置基础梁，有的没有设置基础梁。防水板之间设与不设基础梁，理论分析和构造处理均是可行的。其差异是：不设基础梁时，优点是底板顶面平齐、排水沟做法简单；缺点是在地下水浮压力作用下，柱位处板抗冲切验算时板厚需增厚，局部配筋增大。防水板内设置基础梁，优点是水压力作用下板抗冲切验算时，板厚相对薄，构造配筋少；缺点是，梁上翻时需要预留一个高差，满足排水沟深度要求。总体上，防水板做成梁板式防水板设置基础梁，桩基承台之间称为系梁，能优化设计、节省一定的投资，故推荐设置基础梁。

3.顶板填土荷载及消防车荷载取值与折减

（1）楼面活载取值

楼板上停放小汽车活载根据板跨按荷载规范取值，如取4kN/m2。

（2）顶板填土荷载取值

填土容重按20kN/m3计算，填土厚度应按规划控制指标执行。如：有些政府规划部门规定，作为绿化、广场用途的屋顶填土厚度为不少于2m厚；但有些地方不做强制规定，满足绿化、排水即可，这时填土厚度不应小于1.2m，还应考虑地面排水坡度如0.3%引起的局部填土增厚荷载。顶板不考虑室内粉刷抹灰荷载，是基于结构微振频繁时，粉刷层易脱落引发安全事故。

（3）顶板消防车荷载取值与折减

车道消防车荷载、消防扑救面荷载应根据板跨大小按建筑结构荷载规范选择。从工程经验看，顶板双向板板跨一般在2.6×2.6m～3m×3m，消防车荷载取35kN/m2，已按重型消防车荷载综合后取值。根据填土厚度不同，应对消防车活荷载进行折减。如3米跨度，填土厚1.25m，折减系数为0.84。车道位置板按塑性计算。

4.地下室整体抗浮验算

（1）抗浮水位取值

地下室抗浮水位的确定需要考虑勘察报告的建议水位和设计水位。若勘察期间无地下水，地下水埋藏较深低于地下室底标高，在设计中，也需要考虑地下水压力对结构的浮力影响。因为，在地下室施工过程中，基坑开挖破坏了原有地表土层结构，地下室施工后，基坑周围回填土，地表水有可能沿着基坑周边的回填土累积渗流到基坑中，对地下室产生水压力，故需要考虑水压力。

抗浮设计最高水位一般可取室外地坪下-0.50m，最低水位可取地下室底板下。

（2）抗浮验算

地下室需要进行整体抗浮验算和局部抗浮验算，抗浮安全系数为k=1.05。整体抗浮验算时，即整个地下室结构构件自重+填充墙重+覆土重+上部结构荷重之和应大于地下室设计水位范围内水浮力的k倍，结构整体重量可通过计算软件，如YJK输出结果查到。局部抗浮验算可取单根柱负荷范围内的水压力与柱传下的荷载比对进行验算。当抗浮不满足时，应采取处理措施，如增加配重、增加覆土厚度，增设抗拔桩。

5.地下室外墙计算

（1）地下室外墙水土压力分布

地下室外墙上分布有土压力、水压力、地面堆载荷载、车辆荷载，荷载为梯形分布。水土荷载分算时，地下水位以下土的浮容重取10kN/m3地下，水位以上土的容重取18kN/m3，水的重度取10kN/m3；土压力按静止土压力计算，土压力系数可取k0=0.5，水压力的计算高度取室外地坪下0.5m，室外地面考虑堆载10kN/m2，水土压力按梯形分布。

（2）地下室外墙内力计算

计算简图：上端简支，下端固定，中间楼板铰链杆支撑，外墙竖向连续，荷载梯形分布，计算单元宽度取1m，忽略墙顶轴向力或楼板支座反力的影响，外墙按照受弯构件进行计算，结果偏于安全，比按压弯构件计算配筋约增加5%左右。

对于坡道部分的地下室外墙，需要按实际支撑条件如悬臂构件核算外墙内力，此部分外墙内力一般要比正常部位外墙内力大、配筋相应多，是外墙设计需要注意之处。

地下室外墙扶壁柱对外墙刚度的影响，由于扶壁柱突出墙表面的截面面积小，其刚度相对于墙体较小。通过有限元分析，由于扶壁柱刚度的贡献，外墙底部弯矩可减少约5%，故扶壁柱刚度可忽略，不计入扶壁柱对外墙的侧向支撑作用。

6.地下室基础受力特点分析

（1）基础类型

高层建筑地下室，塔楼部位基础类型有桩基+筏板基础，裙楼部位基础桩基+防水板基础，筏板与防水板之间采用变截面斜板过渡连接。

多层建筑地下室基础类型有独立基础+防水板类型基础。

（2）受力特点

桩基+筏板基础，筏板承担上部结构传来的荷载、自重并传给桩基；同时，筏板还承担向上的水浮力。

桩基+防水板基础，上部结构的荷载直接传给桩基，防水板仅承担自重、小厚度填土重、板上活荷载及向上的水浮力。

筏板及防水板内力计算时，需要考虑最高水位和最低水位（无水）下不同工况的内力组合。

桩+筏板及防水板下土的作用忽略不计，即土的基床反力系数取0。

独基+防水板土的基床反力系数根据土的密实程度、类别确定，如中等密实、可塑粉土取20000kN/m3。

（3）计算方法

考虑上部结构刚度，采用有限元法计算。上部结构模型中，勾选上部结构刚度对基础的影响，计算上部结构刚度；基础计算模型中，勾选考虑上部结构刚度。

（4）计算参数

水浮力，考虑设计水位和无水二种工况对基础的影响。设计水位时，地下水位高度取室外地坪下-0.5m；无水时，地下水位取底板下，如-20m，水的密度10kN/

m3。

室外填土容重取18kN/m3，室外地面堆载取10kN/m2。水土分算，按静止土压力计算水土压力，土压力系数K0取0.5。

室内考虑填土荷载和室内活载，如停车荷载4.0kN/m2。

桩的刚度按受压刚度取值，可用桩的承载力特征值除以桩顶竖向位移计算。

7.地下室结构设计方法

整体结构力学模型设计法。

（1）建立上部塔楼模型

设计地下室之前，需要建立上部塔楼模型。当地下室顶部存在多栋塔楼时，每栋塔楼的内力分析,仅取各自塔楼及其周边二跨范围内的地下室结构构件参与计算，嵌固端取地下室顶板板面，塔楼底部取到基础顶面。输出结果中，各项控制指标均要满足抗震设计规范相关要求，如：嵌故部位的侧向刚度要大于上部一层侧向刚度的2倍，一层以上楼层侧向刚度比、柱墙轴压比、地震下剪重比、周期比、位移比、楼层抗剪承载力比、刚重比要满足抗规相关要求。

（2）建立地下室模型

当上部塔楼结构模型输入参数正确、模型与实际一致以及输出结果判断合理后，方可建立地下室模型，在上部塔楼模型基础上，补充裙楼模型，形成上部结构+地下室的整体力学模型。

（3）内力分析

地下室结构内力分析时，应做整体结构力学模型计算，定义多塔。当地下室规模较大，上部塔楼数量较多，杆件数量超限，超越计算机计算能力，可将地下室分块计算。

（4）控制指标

地下室带入上部塔楼整体计算的结果，作为地下室结构构件梁、板、柱内力及截面配筋设计依据。

地下室抗震等级：地下一层同上部一层，地下二层降低一级，抗震等级最低不低于四级。

结构上部一层的侧向刚度，不宜大于相关范围地下一层侧向刚度的0.5倍；地下室周边宜有与其顶板相连的抗震墙。

地下一层柱截面每侧纵向钢筋应不小于地上一层柱对应纵向配筋的1.1倍。地下一层柱上端和节点左、右梁端实配的抗弯承载力之和应大于地上一层柱下端实配的抗震受弯承载力的1.3倍。

梁底面和顶面配筋比计算增加10%。

地下室外墙、内墙的设计，取SATWE、YJK和手工计算结果的大值包络设计。坡道处出现悬臂外墙时，应按悬臂构件计算，采取特殊加强措施。

内墙为水池池壁时，按有盖水池计算，上端铰接，下端固定，按拉弯构件进行设计。

（5）地下室结构主要构造措施

①底板：防水板厚度不小于400mm，筏板厚度不小于800mm，受拉一侧最小配筋率0.2%和45ft/fy的大值，最小钢筋直径12mm，钢筋间距最下150mm，最大300mm，钢筋双层双向拉通布置，支座部位可附加短钢筋，四角底部设置附加放射钢筋。顶板厚度不小于250mm，配筋双层双向拉通。外墙最小厚度250mm，内墙最下厚度200mm。

②超长结构后浇带设置

地下室超长、超宽时，应设置后浇带，释放施工时温度应力。约30m～40m长设一道后浇带，带宽800mm，带内板筋和梁筋可断开，带内混凝土添加微膨胀剂，微膨胀剂掺量按技术标准执行。