坡地高层建筑非全埋式地下室结构设计

廖文彬

(厦门中福元建筑设计研究院 福建厦门 361009)

引 言

随着城市用地紧张，在坡地上建设高层越来越多，充分利用场地自然地貌，避免场地大挖大填对自然地貌的破坏和造成新的地质灾害，这种绿色建筑理念已成共识，因此，在坡地上高层建筑地下室顺着坡地地形形成一侧全埋逐渐过渡到另一侧敞开的工程越来越多(图1)，这种非全埋式地下室虽然减少了场地开挖，节省造价，也便于使用，但该类型地下室存在部分敞开面，地下室四周场地对地下室嵌固约束明显不均衡，带来抗震、抗土压力等方面的不利因素，因此《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[1]第6.1.14条的条文说明:在山(坡)地建筑中出现地下室各边填埋深度差异较大时，宜单独设置支挡结构。

图1 非全埋式地下室

汶川大地震及其它地震震害表明，坡地建筑利用地形高差设计的吊脚结构或掉层结构震害严重，主要是由于底部嵌固端高低不一致，形成结构刚心与质心明显偏置，竖向刚度不规则，在地震作用下结构扭转严重，造成底部架空层等薄弱部位破坏严重[2](图2)。

对不单独设置支挡结构的非全埋式地下室结构由于周边室外地面标高变化大，地下室各边埋置深度差异大，地下室四周存在部分敞开面形成地下室钢筋混凝土外墙不封闭，与常规的全埋式地下室相比，存在明显差异:地下室部分外露、地下室外墙及土体约束明显不均衡，这些差异导致地下室刚度产生偏心，同时由于地下室外露部位水平力传递类似上部框剪结构的受力传递模型，使得地下室介于全地下室与局部地下室(外露部位类似上部框剪结构)之间，结构设计上对结构嵌固端位置确定、基础埋置深度计算、确定房屋适用高度时的房屋高度计算、当地下室上部有多栋高层时是否属于多塔等判断上存在不同看法，本文从力学及抗震概念分析出发，对非全埋式地下室结构设计提出建议。

图2 汶川地震吊脚楼震害严重

1 非全埋式地下室结构设计问题探讨

1.1 结构刚心偏置

非全埋式地下室结构一般坡度较高侧挡土需要为钢筋混凝土外墙，外墙外侧填土随地面坡度变化，路面低的一侧常常为敞开，形成地下室结构刚心偏向有设钢筋混凝土地下室外墙侧，再加上四周场地对地下室嵌固约束也是偏向坡度较高侧约束刚度大，这就形成地下室结构刚心的明显偏置，在风和地震的水平力作用下会造成结构扭转，导致地下室结构及上部结构破坏。

为解决结构刚心偏置，非全埋式地下室结构一般要求地下室周边四侧都设置钢筋混凝土外墙，形成相对闭合的钢筋混凝土地下室(图3)，由于地下室外墙较长，形成的刚度相当大，类似盒子的钢筋混凝土地下室抗扭刚度也就相当大，即使仍然存在四周场地对地下室嵌固约束的明显不均衡，但产生的侧向位移小、扭转位移角小，不会造成结构扭转破坏。考虑地下室外墙长度较长，形成的刚度大，当地下室低处敞开侧设置钢筋混凝土外墙影响使用时，可以允许在建筑需要的通道、门窗等位置不设钢筋混凝土墙，也可以允许适当后退在内侧设置，只要保证形成有足够刚度的相对闭合的钢筋混凝土地下室即可。

图3 形成相对闭合的钢筋混凝土地下室

1.2 结构嵌固端位置

嵌固部位是指能限制结构上部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水平力，满足该要求的只有地下室部位。由地下室自身刚度、周边土体约束作用(大约地下室结构自身刚度的3～5倍)组成的地下室刚度，一般数倍于上部结构刚度，起到了限制上部结构位移的嵌固作用。《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[1]和《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[3]对地下室顶板作为上部结构嵌固部位的地下室自身刚度侧向刚度比和楼板刚度强度提出了明确要求。

对部分露出地面的非全埋式地下室，在外露侧由于没有土体约束，而土体约束作用(约地下室结构自身刚度的3～5倍)是限制上部结构位移和承受上部结构水平力的必备条件，因此非全埋式地下室顶板不能作为嵌固部位，需下移至四周有土体约束的地下室楼板位置才能作为上部结构的嵌固部位(图4)。

图4 非全埋式地下室嵌固端

上部水平力在地下室范围的传力路径为:水平力一部分通过地下室顶板传递给地下室外墙，通过外墙传递给周边土体，另一部分通过地下室墙、柱、支撑等竖向构件直接往下传递，传递给基础和基础周边土体。当地下室较大时，往下传递水平力的地下室墙、柱、支撑等竖向构件范围主要为地上结构相关范围，《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[1]明确了地上结构相关范围:指从地上结构(主楼、有裙房时含裙房)周边外延不大于20 m，显然，在地上结构相关范围内的地下室采取加设钢筋混凝土墙等增加刚度措施(图5)，可以提高地下室竖向构件承担水平力比例，减少地下室顶板承担水平力比例，这对部分露出地面的非全埋式地下室，能够让更多水平力从竖向构件直接往下传递给基础和基础周边土体，减少上部水平力通过部分临空地下室顶板的传递，可以使水平力传力路径上更直接，减少水平力下非全埋式地下室刚心偏置导致的扭转不利影响。

图5 临近临空面的加强措施

非全埋式地下室虽然地下室顶板不能作为嵌固端，但考虑地下室刚度大，上部结构与地下室竖向刚度突变，地下室顶板为竖向刚度突变位置，具有实际存在的嵌固作用，因此仍应对地下室顶板采取接近嵌固端层的加强措施，并对地上一层竖向构件配筋设计按地下室顶板作为嵌固端进行包络设计。

1.3 基础埋置深度计算

基础埋置深度一般是指基础底面到室外设计地面的距离，其含义为能提供侧向约束并传递上部水平力给土体的位置才能作为起算面，因此非全埋式地下室应以室外地面低处作为基础埋置深度起算面，并宜符合下列要求:天然地基基础，可取房屋高度的1/15;桩基础可取房屋高度的1/18(桩长不计在内)。

当基础埋置深度不满足时，应进行对高层建筑在小、中、大震工况的地震作用和水平风荷载作用下的整体倾覆分析、基础底面的零应力区分析及控制、基础抗滑移验算、桩的竖向和水平承载力分析[4]。

整体倾覆分析中，不能仅验算抗倾覆力矩大于倾覆力矩(该条件很容易满足)，应同时验算当基础出现零应力区后基础剩下的受压区下地基承载力能否满足(若地基承载力不能满足，地基破坏会造成建筑倾斜、倾覆破坏)，以及基础出现零应力区后上部剩下的受压竖向构件强度承载力能否满足。(图6)中倾覆点位置的墙柱及下面地基(即使是基岩)面积小，无法承受上部全部重量，该点支承的工况是不可能出现，也与计算时底部嵌固简图不符，因此，按大震计算的柱底出现拉力的竖向构件应布置抗拔锚杆或抗拔桩。

基础抗滑移验算，对天然地基为各工况下水平力应小于基础底水平摩擦力(基础底水平摩擦力=基础竖向力x基底摩擦系数)，对桩基为各工况下水平力应小于桩基水平承载力。

图6 倾覆验算示意图

1.4 确定房屋适用高度时的房屋高度计算

非全埋式地下室结构由于地下室四周场地对地下室嵌固约束明显不均衡，形成刚心偏置，容易地震作用下造成建筑物扭转，导致地下室及上部结构的地震破坏，因此在抗震设计措施上应从严控制。

《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[1]指出:用于确定房屋适用的最大房屋高度是指建筑室外地面至主要屋面的高度。非全埋式地下室结构的周边室外地面标高变化大，确定适用的最大房屋高度计算起点位置不能采用建筑±0.00标高位置或室外地面平均标高位置作为起算点，应取建筑周边室外地面最低点位置。同理，确定房屋抗震等级的房屋高度计算起点位置，也应取建筑周边室外地面最低点位置。

1.5 当地下室上部有多栋高层时是否属于多塔

当具有部分露出地面的非全埋式地下室上面有多栋高层，由于地下室存在没有土体约束的临空面，地下室顶板不能作为嵌固端，嵌固端位置需下移。但由于地下室考虑周边土体约束作用(通常取刚度放大系数3～5倍，以考虑回填土对结构的约束作用)以及地上结构相关范围(周边外延不大于20m)以外的地下室钢筋混凝土墙柱刚度，则地下室整体刚度相对上部高层而言大好多倍，因此对地下室上部多栋高层，类似于地下室刚性体上的多塔，高层之间互相影响小[5](图7)，在计算上可以按嵌固端在－1层的单栋高层计算，而不必按考虑相互影响的多塔整体计算。

1.6 其它问题

(1)室外地面高差产生的不平衡土压力，一般在地下室外墙内侧设置垂直于地下室外墙的钢筋混凝土挡墙，直接承受土压力，这样传力直接;当地下室外墙内侧设置挡墙影响使用功能时，也可以由地下室墙柱承担，最后传递给基础，此时设计计算中应计入室外地面高差产生的不平衡力水平力，并对桩基础进行桩基水平承载力验算。

图7 大底盘多塔相互影响示意图

(2)坡地建筑可以利用场地高差进行排水疏导设计，降低抗浮设计水位，能够明显节约材料和造价，是一种很好的绿色技术设计。

2 结语

坡地高层建筑，对不单独设置支挡结构的非全埋式地下室结构，四周土体约束不均衡，与常规的全埋式地下室受力上差异较大，设计中建议采取如下措施:

(1)由于地下室局部外露，地下室外墙及土体约束明显不均衡，导致地下室刚度产生偏心，结构设计上应采取临空侧加设钢筋混凝土外墙，形成相对闭合的钢筋混凝土地下室，提高地下室刚度，提高抗扭刚度，减少刚度偏心。

(2)结构嵌固端位置应取四周有土体约束的地下室楼板位置作为上部结构的嵌固端，考虑竖向刚度突变及地下室顶板具有实际存在的嵌固作用，应对地下室顶板采取加强措施，并对地上一层竖向构件配筋设计按地下室楼板及地下室顶板分别作为嵌固端进行包络设计。

(3)基础埋置深度计算以室外地面低处作为基础埋置深度起算面，当基础埋置深度不满足时，应进行对高层建筑在小、中、大震工况的地震作用和水平风荷载作用下的整体倾覆分析、基础底面的零应力区分析及控制、基础抗滑移验算、桩的竖向和水平承载力分析。

(4)应取建筑周边室外地面最低点作为确定房屋适用的最大房屋高度和房屋抗震等级的房屋高度计算起点位置。

(5)当地下室上部有多栋高层时，考虑地下室整体刚度相对上部高层而言大好多倍，多塔之间互相影响较小，可不必按多塔整体计算。

[1]GB 50010－2010，建筑抗震设计规范[S].

[2]王丽萍，李英民，郑妮娜，等5.12汶川地震典型山地建筑结构房屋震害调查[J].西安建筑科技大学学报:自然科学版，2009，41(6):822－826.

[3]JGJ3－2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[4]刘俊，许晋平，等.高层结构塔楼嵌固端问题研究[J].建筑结构，2013，43(5)S1:1306－1308.

[5]周华蓉，高层建筑基础埋置深度不足时的结构设计[J].福建建设科技，2014(4):49－52.

[6]方鄂华，大底盘多塔楼结构地震反应[J].建筑结构学报，1995，16(6):3－10.