大底盘地下室错层结构设计中若干问题的思考

■袁建龙 ■宝鸡市民用建筑勘察设计院，陕西 宝鸡 721001

1 大底盘地下室错层结构

现代建筑综合功能复杂，设备、设施专业要求较高，且设备设施占用的建筑空间面积较大。从建筑设计及使用功能要求方面综合考虑，一般均考虑在建筑物底部地面以下部分设置一定区域来满足这一方面的功能要求。预期达到一个较好的使用功效及工程性价比指标。随着建筑使用功能要求的不断提高，地下室部分越建越大，其工程成本占整个建筑物工程造价的比例也越来越高。从工程结构角度出发，这种情况下，地下部分结构对整体结构受力的影响不容忽视。因此，设计好这一部位结构构件的工程意义至关重要。下面笔者通过对在工作中遇到的一些实际问题的思考来共同探讨一下如何处理好这一方面的相关问题，使工程结构设计能够做到安全、经济、合理。

从建筑整体功能角度出发，地下室部分往往会超出上部主楼平面范围以外，超出部分可能会较大，且因考虑主楼底部设置管道夹层或室外贯穿预埋管沟及室外功能设施等要求，该部分结构楼面标高需要降低。当然也可能存在因建筑场地地势高低的原因，造成室外地下室顶板抬高而高于主楼室内地面楼板的情况，甚至仅室外部分顶板也会出现板顶不共面的情况。这些情况均会造成结构底部楼板错层。地下室顶板部位在整个结构受力中是极其重要的关键部位，而楼板错层又是结构受力不利的复杂工况，那么在工程结构受力关键部位出现受力不利的结构错层现象，这是一个很复杂而又不能避免的问题。

关于结构错层的认知，因各建筑情况不同，室外地下室顶板与主楼室内地面楼板的高差也不尽相同，小的可在60cm 以内，大的可达2～3m 不等。工程界一般认为:当高差值不超过结构主梁截面高度或60cm，甚至不超过地下一层层高的1/4 时，当对错层部位周边构件采取有效结构措施及相应的构造措施后，可近似按不错层考虑。而当高差值超出上述范围时，则应按结构错层对待，结构需采取有效措施。采取何种有效措施，既使结构安全可靠，又对建筑使用空间影响较小，笔者认为大致可按以下办法来考虑:(1)当结构面高差值不大时，可适当加大楼层梁板截面刚度或采取梁板端部加腋的办法，加腋可根据情况高标高梁板下加腋，低标高梁板上加腋。(2)当结构面高差值不大时，可采取适当降低较高结构板面标高，以减小或消除高差值，再在板顶覆土的办法。结构层按不错层结构考虑。(3)当结构面高差值较大时，可结合设备要求设架空管道夹层，降低较高结构板面标高，夹层顶部结构层可考虑采用装配式或装配整体式地面，其与主体墙柱脱开并采用柔性材料填缝。此时夹层不作为结构层参与整体结构计算，而只考虑其荷载效应及夹层自身的构造措施。(4)当结构面高差值较大时，亦可增加设备夹层，夹层按一个结构层输入模型，参与整体模型分析计算。(5)当结构面高差值较大时，可通过增设斜撑板或设置架空桁架，也可在错层处增设剪力墙，以调整错层处结构构件刚度，避免或减小错层处受力不利结构构件的不良受力状态，使水平力在错层部位相对均匀平缓的过渡传递。(6)如通过以上几种办法均不能解决时，可考虑在结构的适当位置设置永久变形缝，将室外部分与主楼部分彻底断开，分别进行结构分析计算。

希望通过采取以上几种方法，能够处理一些情况下因楼板错层所造成的不利影响，并能够满足工程结构安全可靠度的要求。

2 结构嵌固端的考虑

从工程力学意义上讲，结构嵌固端一般理解为上部结构作用于底部抗力刚度无穷大的支承面之上。通常在设计中假定上部结构嵌固在基础结构上，而实际上这一假定只有在刚性地基的条件下才能实现，对于绝大多数都属于柔性地基的地基土而言，在水平力作用下结构底部以及地基都会出现转动。因此所谓嵌固实质上是指接近于固定的计算基面。

大量工程试验资料表明了以下两个基本特点:一是具有外墙的地下室结构及其基础，与周边土层紧密接触，当设有一定数量的内纵横墙时，地下室变形呈现出与刚体变形相似的特征。二是地下结构的转角体现了柔性地基的影响，地震作用下可假设地下结构为一刚体，上部结构嵌固在地下室顶板之上，而在嵌固部位处增加一个与柔性地基相同的转角。基于上面的资料数据分析可以作出以下假定:在要求基础和地下室结构具有足够的刚度和承载力，以保证上部结构进入非弹性阶段时，基础和地下室结构始终能承受上部结构传来的荷载，并将荷载安全传递到地基上。此时可考虑地下室顶板可作为上部结构的嵌固部位。但为了避免塑性铰转移到地下一层结构，保证上部结构在地震作用下实现预期的耗能机制，规范对地下室结构设计提出了明确细致的设计规定，以满足地下室结构刚度及承载力足够大的设计假定。

下面试列举一些规范对关于结构嵌固端的具体规定及相关概念设计:

(1)《建筑抗震设计规范》GB50011-2010 第6.1.14.1 条“地下室顶板应避免开设大洞口，地下室在地上结构相关范围的顶板应采用现浇梁板结构，相关范围以外的地下室顶板宜采用现浇梁板结构，其楼板厚度不宜小于180mm，砼强度等级不宜小于C30。应采用双层双向配筋，且每个方向配筋率不宜小于0.25%”。第6.1.14.2 条“结构地上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。”

(2)《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010 第5.3.7 条“高层建筑结构整体计算时，当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下一层与首层侧向刚度比不宜小于2。”

(3)《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011 第8.4.25 条“当地下一层结构顶板作为上部结构嵌固部位时，应符合下列规定:①地下一层的结构侧向刚度大于或等于与其相连的上部结构楼层侧向刚度的1.5 倍。②地下室外墙和内墙边缘的板面不应有大洞口，以保证将上部结构的地震作用或水平力传递到地下室抗侧力构件中。③当地下室内、外墙与主体结构墙体之间距离符合以下要求时，地下室墙与主体结构墙之间的最大间距d，当抗震设防烈度在7 度、8 度或9 度时分别不大于30m 或20m 时，该范围内的地下室内、外墙可计入地下一层的结构侧向刚度，但此范围内的侧向刚度不能重叠使用于相邻建筑。当不符合上述要求时，建筑物的嵌固部位可设在筏形基础的顶面，此时宜考虑基侧土和基底土对地下室的抗力。”

多种规范均对结构嵌固端提出了明确的规定，其旨在保证嵌固层结构面具有足够的传递水平力的整体刚度，也可充分发挥其有效减小基础整体弯曲变形和基础内力的作用，使结构受力及变形更为合理经济。实验结果表明，嵌固层楼板参与工作后对降低基础整体挠曲度有较大贡献，且基础整体挠曲度随着楼板厚度的增加而减小。

综上所述，正是基于对结构底部嵌固端的确认，结构整体分析计算时其相关的一些计算指标就有了计算参考点。如结构底部加强区范围，结构抗震等级、层刚度比、结构计算高度及结构底部内力调整等。在实际工程设计当中如有需要，也可将整体计算模型从结构嵌固端部位分开，分别进行上部及底部结构设计，从而实现多人同时操作设计，以便提高设计效率。

3 消防车荷载

随着建筑物使用功能种类的多样化，建筑体量也越来越大，对建筑消防防火的要求也大大提高，从而就会涉及到消防车和运输车辆的问题。现行《建筑结构荷载规范》GB50009-2012 对消防车荷载有明确的规定。，使用时具有一定的前提条件。然而现在工程情况千差万别，很难用一种或几种工况来模拟代表所有的工程状况。当工程情况与规范规定条件不同时，如何正确合理的使用规范来进行设计，先从规范《建筑结构荷载规范》GB50009-2012 出发，由规范第5.1.1 条部分列表及注解说明:

注:3.表中消防车活荷载适用于满载总重为300kN 的大型车辆，当不符合本表的要求时，应将车轮的局部荷载按结构效应的等效原则，换算为等效的均布荷载。4.第8 项消防车活荷载，当双向板楼盖板跨介于3m ×3m～6m ×6m 之间时，应按跨度线性插值确定。

由规范第5.1.3 条“设计墙、柱时本规范表中的消防车活荷载可按实际情况考虑。设计基础时可不考虑消防车荷载，常用板跨的消防车活荷载按覆土厚度的折减系数可按附录B 规定采用。”笔者对地下室结构考虑消防车荷载时规范规定的理解，可以得出以下几点认知:(1)使用的荷载值为车轮局部荷载按结构效应的等效原则换算后得到的均布荷载。(2)荷载的取值与楼盖的形式及板跨度大小有关，双向板可根据板跨度区间进行线性内插取值。(3)规范中使用的荷载等效值是考虑满载的重型消防车荷载值，重型消防车荷载取值范围一般在20t～30t，规范按30t 考虑。适用条件是一般考虑当建筑物总高度在30m 以上或建筑面积较大时应考虑重型消防车荷载。而目前常见的中型消防车总质量一般小于15t，对于住宅，宾馆等建筑物灭火时常以中型消防车为主。可以看出，在相当多的情况下如直接采用规范取值显然过于偏大，结构构件受力过大，不经济，此时应按实际荷载情况取值，可有效降低地下室结构构件的截面及配筋。(4)地下室顶板有覆土时，在计算梁板时可根据覆土厚度对活荷载进行折减。(5)计算结构基础时可不考虑消防车荷载。(6)在对楼盖梁板变形(挠度及裂缝)计算时按正常使用情况下活荷载效应考虑，可不考虑消防车荷载。(7)考虑到消防车荷载作用的偶然性和短暂性(消防站工作地面及通道除外)，则消防车活荷载不应参与荷载的基本组合，而应参与荷载的偶然组合进行结构构件的承载力极限状态验算。不应参与荷载的标准组合，而应参与荷载的频遇组合进行构件的正常使用极限状态验算。笔者以为，目前工程上一般却将其视为一般活荷载与其他荷载组合，这在荷载组合概念上是欠妥的。

综上所述，要正确合理的使用消防车荷载进行结构设计，需要设计者根据不同的工程情况，结合规范精神作出合理的判断，这样才能确保结构安全的同时做到合理经济。

4 地下室刚度及外墙

结合目前常用的工程结构设计软件及设计者的操作方式，建立结构计算模型时一般直接将地下室外墙输入模型，参与整体结构计算，以体现真实的刚度计算模型。以此来考虑其对整体结构受力的影响。此时外墙不单起传统意义上挡土墙的作用，而且是重要的抗竖向力及水平力构件，对提高地下室结构整体刚度及基础刚度有较大的作用。计算地下室结构刚度的大小会影响到对上部结构嵌固端位置的判定，尤其是抗侧力剪切刚度。一般认为，在不考虑地下室周边土体约束的情况下，地下一层有效抗侧剪切刚度与上部结构底层抗侧剪切刚度的比值不宜小于2，且构造措施满足规范规定的条件，则地下室顶部可作为上部结构的嵌固端。有效剪切刚度是指地下室相关范围内结构构件的抗侧刚度，相关范围以外部分抗侧刚度则不予计入。因此为满足刚度比条件，则应尽量提高相关范围以内结构抗侧刚度，并加强构结构造措施，但同时相关范围以外部分仍应采取一定的结构构造措施。外墙刚度对地下室有效抗侧刚度的贡献大小与其在工程中所处的位置与上部结构的距离有关。无论如何，对整个地下室结构而言，其工程意义是非常重要的，所以设计者应认真对待这一问题。

外墙作为结构构件进行设计时，因其计算简图中边界约束条件的定义粗略程度以及墙体平面外荷载取值的近似性，还有对墙体构造措施处理的强弱等因素均会造成设计与墙体实际受力状态误差偏大。大致可从以下几个方面考虑。

4.1 土压力计算

目前工程中大多采用朗金理论和库伦理论来计算土压力。地下室外墙在土压力作用下不会发生整体侧移，墙后土体处于弹性平衡状态，外墙所承受的土压力为静止土压力，而非被动土压力。一般情况下静止土压力系数取值:对砂类土可取0.35～0.45，对黏性土可取0.5～0.7。当地下室施工采用大开挖方式，无坑壁支护结构时，静止土压力系数一般取0.5，但当考虑坑壁支护结构与外墙共同作用时，静止土压力系数可乘以0.66 来近似计算，土压力计算时地下水位以上取土的重度，水位以下取土的浮重度。

4.2 墙体计算模型的确定

以往地下室外墙计算近似按单向板计算，即取顶板、板底为外墙的支承点，取单位宽度的外墙视地下室的层数按单跨或多跨连续板进行计算，外墙的支承条件按外墙与周边构件的刚度比确定，当外墙刚度相对于与之相连周边构件刚度较大时，按简支考虑，反之按固结考虑。目前常用的一些有限元计算程序已能按外墙的实际边界条件进行计算，当外墙两侧存在翼墙或线刚度较大的扶壁框架柱，且翼墙或扶壁框架柱间距不大于层高的2 倍时，外墙可按双向板计算。一般来说外墙多按墙体底部固结，顶部视情况为简支、固结或半固结的压弯构件进行设计。当计算时忽略翼墙或扶壁框架柱对外墙约束的有利因素时，则外墙计算结果将会偏大。

4.3 构造措施

构造措施包括构件计算抗震等级，墙体厚度、砼强度等级及配筋构造等。抗震等级可根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010 第6.1.3条地下室无上部结构的部分抗震构造措施的抗震等级可根据情况采用三级或四级，建议取四级。各构件的计算或构造要求低。当上部有主楼时，主楼相关范围内地下室构件抗震等级与主楼相同，其它部分可定义为四级。计算外墙厚度取值应满足规范规定的最小值，配筋在计算的基础上可采用分离式配筋或对称配筋。

5 结语

本文通过在长期设计工作当中针对带大底盘地下室错层结构中遇到的一些问题的思考与分析，面对地下室结构情况较为复杂，设计时需针对不同的工程情况进行具体分析，采取合理、恰当的工程措施，使结构设计既能安全可靠，满足规范要求，而且要做到经济合理，避免造成浪费，以提高该部分工程结构的性价比，这是每个结构设计者必须关注和认真面对的问题。

［1］GB50010-2010《混凝土结构设计规范》［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［2］GB50011-2010《建筑抗震设计规范》［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［3］JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［4］GB50009-2012《建筑结构荷载规范》［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

［5］GB50007-2011《建筑地基基础设计规范》［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［6］徐传亮，光军.《建筑结构设计优化及实例》［M］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

［7］谷贵风.关于嵌固端的探讨［J］.PKPM 新天地，2013，97(2):9-10，34.