高层建筑地下室工程的结构分析与设计

易文新

摘要：高层建筑上部荷载大，基础埋置深度也较深，地下室的设计合理与否直接影响建筑物的正常使用与造价。本文从地下室工程的结构模型人手，针对其特点的多样性和复杂性，主要从基础埋置深度、上部结构的嵌固部位、回填土的约束作用及地下室的荷载四个方面展开论述，并就设计过程中地下室的抗震等级、外墙、剪力墙、框架柱、顶板、回填土及抗裂措施等问题作了简要分析。

关键词：埋置深度；嵌固部位；回填土；侧向刚度

中图分类号：TU91

文献标识码：B

文章编号：1008-0422（2013）07-0174-02

1.前言

近年来，随着经济的发展，高层建筑越来越多。为了增加有效使用面积，将停车库转入地下，所以这些建筑通常都带有地下室。这不仅有利于地面道路的设置，同时也满足了平战结合的要求。对于这类工程，如何把握地下室的受力情况，进行合理的计算分析是摆在广大工程技术人员面前的重要问题。本文就地下室工程的结构模型特点和设计过程中需要注意的几个问题作简要的论述。

2.地下室工程的结构模型特点

带有地下室的高层建筑是一个由上部结构与地下室共同组成的完整的受力体系，相互协调变形。地下室与上部建筑并没有本质的区别，在建模方法和计算分析方面也基本相同。在设计单位广泛应用的SATWE软件完全可以将地下室和上部结构作为一个整体进行计算分析。当然，地下室与上部结构的受力及分析方面也有许多不同之处，需要在设计中加以特殊考虑。

2.1地下室的埋置深度

高层建筑设置地下室对建筑物结构的益处很多。①可以利用的侧压力减少结构的滑移和倾覆，有利于上部结构的整体稳定性；②可以减小土的重量，减少地基的附加压力和沉降；③由于基础具有一定的埋置深度，还可以减小地震作用对上部建筑的影响。唐山地震震害就表明有地下室的建筑物破坏明显较小。

地下室在具有足够的刚度、承载力和整体性的条件下，可作为基础结构的一部分。高层建筑基础的埋置深度应满足地基承载力、变形和稳定性的要求。位于岩石地基上的高层建筑，其埋深应满足抗滑的要求。

建议同一结构单元应全部设置地下室，并应当有相同的埋深。基础的埋置深度为建筑物室外地面至基础底面的距离，可按以下要求进行估算：

2.1.1一般天然地基，不宜小于建筑物的高度的1/15；

2.1.2岩石地基可不考虑埋深的要求，但应验算倾覆和滑移；

2.1.3桩基础不宜小于建筑物高度的1/18。在城市居住密集的地方往往新旧建筑物紧靠在一起。为保证施工期间相邻原有建筑物的稳定，通常新建高层的埋深不宜大于原有建筑的基础。当新基础埋深大于原有建筑基础时，应根据建筑荷载大小、基础形式和土质情况使基础间保持一定的距离。

2.2上部结构的嵌固部位

在进行上部结构计算时，首先要确定其嵌固部位，嵌固部位又直接影响到基础的弯矩，所以它对于结构分析和基础设计都是非常重要的，并直接关联建筑物的经济性和安全性。

2.2.1嵌固部位的概念引入

由于地下室侧墙外的回填土的存在，使得地下室的力学特点和上部结构有所不同。回填土约束了地下室的水平位移，使得建筑物在地下室顶部产生刚度突变。在地震作用下，塑性铰的位置有可能发生转移。确定嵌固部位可以通过对结构刚度和承载力的调整，使得塑性铰在预定的位置出现，从而在地震作用下，保证上部结构的某些关键部位能实现预期的先于其他部位的屈服即进入非弹性阶段，产生预期的耗能机制。

2.2.2嵌固部位的含义

结构的嵌固部位是计算模型中的一个重要假设，它是指结构预期塑性铰出现的位置。嵌固部位的正确设定直接关系到计算模型与实际受力状态的符合程度，构件内力与侧移等计算结果的准确性。嵌固部位应能限制构件在两个水平方向的平动位移和绕竖轴的转动位移，并能传递上部结构的地震剪力。

2.2.3嵌固部位的确定原则

嵌固部位结构的整体刚度和承载力是塑性铰出现的必要条件。地下室嵌固部位应能承受上部结构屈服超强引起的内力及地下室本身的地震作用。因此，《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》都规定：当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。地下室不能满足嵌固部位的楼层侧向刚度比规定时，可以增加地下室楼层的侧向刚度，或者将主体结构的嵌固部位下移至符合要求的部位，如基础顶面等。当地下室不少于两层时，地下室顶部可作为上部结构的嵌固部位。

2.3回填土的约束作用

由于地下室一般都存在外墙其侧向刚度大于上部结构。同时，地下室与室外土层接触面积大，在地震作用下，阻尼增大导致振动衰减，降低了结构的动力效应。此外，地震作用迫使与地下室接触的回填土发生相应的变形，导致土对地下室外墙及底板产生抗力，约束了地下室的变形从而提高了地下室的刚度。在选择了合理的嵌固部位以后，如何分析回填土的约束作用成为地下室结构模型合理性的关键。在规范关于刚性地基的假定下，目前通常采用以下两种分析方法：

2.3.1嵌固水平位移法

将上部结构与地下室作为一个整体考虑，嵌固部位取在基础底板处，并根据地下室结构与相邻上部结构楼层侧向刚度比的大小，确定合适位置限定其水平位移为零。楼层侧向刚度的计算方法有三种，分别是剪切刚度、剪弯刚度和楼层剪力与层问位移的比值。三种方法含义不同，计算结果差别也较大。当进行方案设计时，地下室侧向刚度比可用剪切刚度比估计。施工图设计时，取楼层剪力与层问位移的比值计算。

2.3.2弹簧刚度法

将上部结构与地下室作为一个整体考虑，嵌固部位取在基础底板处，并在每层地下室的楼板处引入水平弹簧刚度，其值的大小反映回填土对地下室约束作用的强弱。SATWE软件设有参数“回填土对地下室作用的相对刚度比”，其含义就是回填土的约束刚度与地下室本身抗侧移刚度的比值，若取值为0，表示不考虑回填土的约束作用；若取值在1-5之间，表示回填土具有一定的约束作用，取值越大约束作用越强；若取值为负数米，表示地下室有嵌固部位，其下部的米层无水平位移。

3.地下室结构设计中应注意的几个问题

3.1地下室的抗震设计

一般来讲地下室抗震设计中较为常见的问题为：多层建筑中半地下室埋深不够，房屋层数包括半地下室层已达8层，层数和总高度超过要求，违反GB50011-2010第7.1.2条。若地下室设计不当，对其整体的抗震性能会产生较大的影响。根据施工图审查要点，一般来讲，对于半地下室的埋深要求应大于地下室地面以上的高度，才能不计算其层数，总高度才能从室外地面算起。地下室的墙柱与上部结构的墙柱应协调统一。对地下室顶板室内外板面标高变化处，当标高变化超过梁高范围时则形成错层，应采取一定的措施进行处理，否则不应作为上部结构的部位

3.2地下室的外墙

3.2.1荷载组合

地下室外墙所承受的荷载分为：①水平荷载：地下室在地面以下不受风荷载的影响。由地下室质量产生的地震作用主要被室外回填土吸收，只有小部分由地下室构件承担。因此，在按照《建筑抗震设计规范》进行地震剪力调整时，地下室部分的最小地震剪力系数不满足要求时可以不调整；②竖向荷载：地下室与上部结构采用整体分析方法，不仅可以正确完成全楼的竖向导荷及内力计算，同时可以考虑地下室的变形对上部结构的影响，使计算结果更符合实际情况

在实际工程设计中，竖向荷载及风荷载或地震作用产生的内力一般不起控制作用，墙体配筋主要由垂直墙面的水平荷载产生的弯矩确定，而且通常不考虑与竖向荷载组合的压弯作用，仅按墙板弯曲计算弯曲的配筋。

3.2.2内力计算

地下室外墙可根据支承情况计算水平荷载作用下的弯矩。由于地下室内墙间距不等，可把楼板和基础底板作为外墙的支点按单向板计算，基础底板为固端，顶板为铰支座。也可按考虑塑性内力变形重分布的方法计算弯矩，可以节省钢筋用量。外墙的受拉区混凝土可能出现弯曲裂缝，但由于裂缝较细微不会贯通整个截面，外墙仍具有足够的抗渗能力。

3.2.3构造措施

地下室外墙外侧竖向钢筋在基础底板弯折后水平段长度按搭接与底板下部钢筋相连，而底板上下钢筋可伸至外墙外侧。

多层地下室的外墙各层墙厚可以不同。墙的外侧竖向钢筋宜在距楼板1/4-1/3层高处搭接，内侧竖向钢筋可在楼板处搭接。墙外侧水平钢筋宜在内墙间中部搭接，内侧水平钢筋宜在内墙处搭接。钢筋直径大干22mm宜采用机械接头或焊接。

地下室外墙竖向钢筋和水平钢筋，每侧均不应小于受弯构件的最小配筋率。当外墙较长时，考虑到混凝土硬化过程及温度应力的影响可能产生收缩裂缝，水平钢筋配筋率宜适当增大。

3.3地下室的剪力墙和框架柱

高层建筑的剪力墙底部加强部位计算起点一般是室外地坪。地下一层一般可按加强部位设计，其边缘构件设计与地上一层相同，即地上一层的边缘构件向下延伸一层若地下室多于一层，地下二层及以下一般可按构造边缘构件进行设计；若地下室侧向约束条件较差，则需另行考虑。

当地下室的顶层作为上部结构嵌固端时，地下室框架柱截面每侧的纵向钢筋面积除应符合计算要求外，不应少于地上一层对应每侧纵向钢筋面积的1.1倍。

3.4地下室的顶板

顶板的厚度不仅对于承受垂直荷载很重要，对于承受侧向荷载也非常重要。其平面内的变形将影响楼层地震作用在各抗侧力构件之间的分配。另外应避免或减少在顶板开洞，当避免不了时，应减小洞口面积，并对洞口周边从构造上加强，以防止刚度突变或强度降低的不利影响。《高层建筑混凝土结构技术规程》规定，当地下室的顶板作为上部结构嵌固端时，楼板厚度不宜小于180mm，不宜有较大洞口，混凝土强度等级不宜地于C30，应采用双层双向配筋，每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。当地下室的顶板不能作为上部结构嵌固端时，楼板厚度不宜小于160mm。

3.5地下室的回填土

试验资料和理论分析都表明，回填土的质量影响着基础的埋置作用。提高地下室四周的回填土质量，可以有利于吸收地震能量，减轻上部结构的地震反应。增强建筑物的整体稳定性。国内外的调查资料表明，回填土的压实系数达到0.95以上时，建筑物地震反应减小的程度可达20-30%。如果不能保证回填土和地下室外墙之间的有效接触，将降低基础的侧向刚度和转动刚度以及土对基础的约束作用。因此，地下室四周回填土应均匀地分层夯实，根据具体的情况控制合理的压实系数，保证回填土的质量。当地下室外墙和基坑支护结构之间的净距太小而无法对回填土进行夯实时，宜采用素混凝土填充地下室外墙与基坑之间的缝隙。

3.6地下室的抗裂措施

由于地下室的混凝土体量较大，而有些地下室长度超过了结构伸缩缝的最大间距，混凝土的干缩和施工期间的水泥水化热将会导致墙体及楼板的裂缝。设计过程中一般可采用以下措施：

3.6.1设置施工后浇带

后浇带作为混凝土早期释放约束力的措施已得到广泛应用。

3.6.2采用补偿收缩混凝土

在混凝土中掺入UEA等微膨胀剂，以混凝土的膨胀值抵消其收缩值，从而达到控制裂缝的目的。

3.6.3提高构件的抗拉性能

增加外墙水平分布钢筋的配筋率减小钢筋间距。

4.工程实例

4.1工程概况

湖南长沙某公司办公楼，两幢塔楼通过地下室连为一体，地上无裙房，地下室为汽车库和设备用房。框架剪力墙结构，共16层，地下室1层，总高度72m，抗震设防烈度为Ⅵ度，设计基本加速度为0.05g，场地土类别为Ⅱ类，地下室顶结构平面图如图1。

4.2地下室结构设计

4.2.1基础

根据地质条件采用桩基础，选用预应力混凝土管桩。地下室室内标高-4.8m，地下室顶板厚度180mm，地下室外墙350mm，基础底板按冲动要求计算所得厚度为800mm。基础埋深大于结构总高度的1/18，满足规范要求。

4.2.2上部结构计算

由于开挖的软土用于回填，考虑一定的约束作用，对地下室作用的相对刚度比取值为2。采用楼层剪力与层间位移的刚度比计算方法，地下室的侧向刚度与首层侧向刚度比为2.26，满足嵌固部位刚度比大于2的条件，可以将地下室顶板设为嵌固端，将地下室作用的相对刚度比取值为-3，即不考虑回填土的约束作用，再重新计算。SATWE软件计算的结构第一、第二自振周期均以平动为主，T1=1.7s，T2=1.3s，以扭转为主的第三周期T3=0.86，T3/T1=0.51<0.9，最大层间位移角为1/1240<1/800，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求。再将嵌固端设在基础顶面计算得T1=1.84，最大层间位移角1/1315，计算结果显示将地下层顶板设为嵌固端，结构第一自振周期下降8%，最大层问位移角下降6%。

4.2.3设计结构措施

地下室构件的抗震等级同上级结构抗震等级，剪力墙二级，框架三级。地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积较计算值放大10%配置。顶板梁混凝土强度C30，钢筋双层双向14@100贯通，配筋率大于0.25%，满足作为嵌固端的构造要求。

由于地下室长达90m，为解决混凝土的温度应力和收缩应力给工程带来的不利影响，在两幢塔楼地下室连接处设置了一道伸缩后浇带（图1中阴影部分），宽800mm，设计时建议采用水化热较低的矿渣硅酸盐水泥，在混凝土中掺入10%UEA，并采用循环冷却水的方法降温，严格控制内部混凝土的温度。同时将地下室外墙的水平筋间距加密为150mm。地下室工程验收合格以来已有半年，外墙及梁板未发现明显裂缝，取得了满意的效果。

5.结语

地下室的结构设计是一个综合性很强的问题，涉及到的内容繁多而复杂，因此无论是从技术还是从经济的角度讲都需要我们更深入地研究“地下室结构设计分析与设计”提高设计水平，设计时应正确地把握结构模型进行分析计算，并采取适用的构造措施，真正做到技术与经济同步，安全与适用协调。