浅析开敞地下室的高层结构设计

黄超峰

北京华巨建筑规划设计院有限公司福州分公司

1 工程概况

本项目位于福清市海口镇则徐大道南侧，305省道东侧，由7栋分别为28～33层的高层住宅组成，下设一层（局部两层）地下室。拟建场地属于丘陵坡地地貌，地势北高南低，西高东低。因场地标高变化急剧，方案设计为避免深挖高填，南侧地下室底板标高已大致与室外地面标高持平。

2 设计条件及待解决问题

2.1 设计基本条件

根据《建筑结构可靠性设计统一标准》的规定，本工程设计基准期为50年，结构的设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级。

根据《中国地震动参数区划图》的规定，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第三组，建筑物场地类别为Ⅱ类。

根据《建筑抗震设防分类标准》的规定，本工程抗震设防类别为标准设防类（丙类）。

基本风压：WO=0.80kN∕m2（50年一遇）；地面粗糙度C类，风荷载体型系数按照《高规》附录计算取1.34。

根据地勘资料，场地土层揭示如下：1杂填土；2粉质黏土；3全风化凝灰熔岩；4砂土状强风化凝灰熔岩；5碎块状强风化凝灰熔岩；6中风化凝灰熔岩。高层基础采用旋挖灌注桩，持力层取中风化凝灰熔岩。

2.2 结构设计所存在问题

本项目因地下室南向全敞开，与通常情况下全埋地下室有所区别，所带来问题如下。

（1）上部结构设计时，地下室是否需定义为裙房，即本项目是否属于带大底盘多塔结构。

（2）基础设计时，主楼基础面标高同现有室外地面标高，埋深不满足建筑地基基础设计规范的要求：在抗震设防区，除岩石地基外，天然地基上的箱形和筏形基础其埋置深度不宜小于建筑物高度的1∕15；桩箱或桩筏基础的埋置深度（不计桩长）不宜小于建筑物高度的1∕18。

3 上部结构受力分析及设计

3.1 受力分析

首先，当高层建筑带裙房时，因受建筑条件限制，塔楼结构质心与底盘结构质心普遍存在偏心，在水平力作用下，结构容易产生较为复杂的扭转振动。

其次，与常规全埋地下室侧墙四面围合有所不同，非全埋地下室侧墙往往出现单侧或两侧无侧墙的情况，此现象将进一步造成地下室刚度中心与质量中心偏离，加剧扭转效应。

再者，地下室一般为框架结构体系（主楼范围外），柱位少而疏；上部高层一般为剪力墙结构，剪力墙多而密，二者之间抗侧刚度存在显著差异。

上述多种因素下，带敞开地下室的高层结构在水平力作用下，无侧墙一侧的地下室远端将存在明显的扭转效应。

对此，为削弱此类结构的扭转效应，可沿地下室开敞一侧人为增设钢筋混凝土外墙，使地下室四周侧墙围合，形成侧向刚度很大的结构体系。在水平力作用下，此地下室侧向变形将趋近于零，地下室远端的扭转效应将被大大削弱。

分别取地下室侧墙不围合与围合两种模型计算，其结果对比如图1、图2。

侧墙不围合时，一层最大层间位移角分别为：X向地震工况下为1∕2961；Y向地震工况下为1∕9999，X向风荷载工况下：1∕3291，Y向风荷载工况下：1∕7001侧墙围合时，一层最大层间位移角分别为:X向地震工况下为1∕9999；Y向地震工况下为1∕9999，X向风荷载工况下：1∕9999，Y向风荷载工况下：1∕9999。侧墙不闭合时，一层最大位移比及最大层间位移比均为1.41，侧墙围合时，一层最大位移比及最大层间位移比均为1.13。

故在采取此措施后，此类地下室可认为与普通全埋地下室并无太大差异，不属于主体结构的裙房，上部结构亦不属于多塔结构。

3.2 上部高层包络设计及构造加强措施

（1）敞开地下室虽人为增设侧墙封闭，但由于室外无覆土约束，上部单体结构应偏于安全按无地下室进行设计，计算高度取至地下室底板面。

（2）上部单体虽按嵌固于基础面设计，但地下室顶板的实际约束作用不可忽略，需另按嵌固于地下室顶板面进行包络设计。

（3）当地下室顶板不可避免存在高差变化时，为保证顶板位置水平力传递路径的连续有效，顶板高低差处均采取加腋措施，防止顶板形成错层结构，造成传力途径中断。

4 基础受力分析及设计

4.1 基础形式选取

根据地勘报告，本工程采用旋挖灌注桩基础，桩身直径900mm，持力层取为中风化凝灰熔岩，桩长约20m，桩身混凝土强度采用水下C35，桩身配筋取14根20，桩身配筋率约为0.69%。

4.2 基础受力分析

根据《建筑地基基础设计规范》（GB 5007—2011）第5.1.3条，“高层建筑基础的埋置深度应满足地基承载力、变形和稳定性要求。位于岩石地基上的高层建筑，其基础埋深应满足抗滑稳定性的要求。”《建筑地基基础设计规范》（GB 5007—2011）第5.1.3条条文说明，“根据相关工程实践经验和科研成果，在考虑了地震作用和地基的种种不利因素，并采用圆弧滑动面法进行分析后可知，高层建筑地基整体稳定安全系数随基础埋深增加而提高。”规范关于基础埋深的相关规定，旨在保证建筑地基整体稳定性。

考虑到建筑抗震设计规范中，建筑物抗震设防以“三个水准”作为设防目标，即实现建筑物“小震不坏、中震可修、大震不倒”为最终目的，结合地基基础设计规范及抗震设计规范，当建筑物基础无埋深时，若建筑物基础在小震及大震工况下，均能满足抗倾覆、抗滑移的稳定性验算，则认为该基础设计满足建筑地基整体稳定性要求，并符合抗震设计关于建筑物“三个水准”的抗震设防目标。

因地下室非全埋，无室外覆土约束，在水平力作用下，基底弯矩及剪力将直接由基桩承受。基底弯矩作用下，群桩一侧受拉，一侧受压；剪力作用下，基桩在承台作用下共同受剪。基础力学模型简化如图3。

图3 基础受力模型图

因此小震及大震工况下，若基桩均能承受相应工况下的产生的最大水平剪力、拉力、以及压力，则认为该基础设计可满足相关规范的要求。

4.3 基础验算

本文暂以大震工况下基础受力验算进行分析。

4.3.1 基桩受压验算

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008），桩身抗压强度：

考虑大震工况，fc取fck，fy取fyk，不考虑钢筋折减系数，成桩工艺系数Ψc取0.8，则桩身抗压强度标准值：

经计算，大震工况下基桩最大压力图如图4。

图4 基桩受压最大反力图

基桩最大压力约为12700kN，小于桩身抗压强度，大震工况下基桩受压验算满足要求。

4.3.2 基桩受拉验算

不考虑混凝土抗拉强度，根据桩基规范，单桩抗拉强度标准值即为桩身钢筋抗拉强度标准值，Nt≤fykAS=400×4396=1758kN。经计算，大震工况下基桩最大拉力图如图5。

图5 大震工况基桩受拉最大反力图

基桩最大拉力约为1100kN，小于桩身抗拉强度标准值，大震工况下基桩受拉验算满足要求。

4.3.3 基桩抗剪验算

根据桩基规范，对于桩身配筋率ρg≥0.65%的灌注桩，可按下列公式计算单桩水平承载力特征值：

大震工况下基桩抗剪承载力验算满足要求。

综上，大震工况下，该基础设计满足地基与基础设计规范中关于整体稳定性的要求。

5 结论

虽本项目高层建筑因没有埋置深度，对其抗震性及整体稳定性产生一定的不利影响，但经合理的结构设计及采取必要的加强措施后，此类建筑亦能满足相应的安全性及抗震性，实际设计中采取的具体措施如下：（1）人为增设地下室侧墙并使之围合，减小开敞地下室的不利影响；（2）通过对大震工况下的桩基计算，保证其基础整体稳定性；（3）加强顶板、底板的厚度及配筋率，并对顶板、底板高低差位置进行加腋处理。