1、高层民用建筑地下室结构设计探讨 杨宏伟 丁翠霞 安徽省建筑设计研究院有限责任公司 合肥宝湾国际物流中心有限公司 摘 要： 近年来, 城市高层建筑规模迅速扩大, 小高层民用建筑越来越得到人们的认可。高层民用建筑地下空间的设计愈发重要, 能够满足居民对于地下空间的需求, 在停车、储藏等日常使用和人民防空等方面发挥着重要作用。高层建筑地下室结构设计复杂, 但对整栋建筑的结构设计和施工却有着至关重要的基础作用。本文针对高层民用建筑地下室的结构设计问题, 探讨其设计难点、常见问题及注意事项, 并总结出高层建筑地下室结构设计的改进措施。关键词： 高层民用建筑; 地下室结构; 设计探讨; 作者简介：杨宏伟
2、(1983 年生) 男, 工程师, 主要从事建筑结构设计工作。作者简介：丁翠霞 (1982 年生) 女, 工程师。随着经济发展的日新月异, 城市化进程也随之加快。高层建筑节约了城市居住用地, 对于环境保护和节能减排都有深远的意义。当前, 高层建筑的地下空间开发力度很大, 设计人员对于高层建筑地下室结构的设计水准直接影响着地下空间的利用效率, 也影响着居民的生活质量。1 高层民用建筑地下室结构设计难点1.1 结构嵌固端的确定结构的嵌固端即平常所说的固定端, 在此部位不允许构件出现任何位移, 这里的位移在结构力学中是指平面 x、y 两个方向的位移和围绕此支座的转角。高层建筑地下室嵌固端位置选择一般
3、有两种:一是设在地下室基础底板顶, 二是设在地下室顶板顶面。多层地下室结构, 常将上部结构的嵌固部位设在地下室顶板, 但需满足下列条件:一是地下室顶板与室外地面的高差需小于本层层高的 1/3和 1.5m;二是地下室顶板宜采用梁板结构体系, 楼面连续且不得有大开洞;楼面框架梁具备足够的刚度;三是地下室顶板厚度、混凝土强度等级、顶板配筋方式及配筋率、嵌固层柱截面和配筋等满足规范要求;四是地下室的楼层剪切刚度不应小于相临上部结构楼层剪切刚度的二倍。当不满足上术条件时, 嵌固端应设在基础底面。因此嵌固端具体设在何处需结合工程的实际情况经过计算和比较后择优确定。1.2 地下室楼盖与楼板的选择多层地下室结
4、构的楼盖形式主要分为:无梁楼盖和有梁楼盖。无梁楼盖包括:等厚平板式楼盖、带托板柱帽式楼盖和空心密肋楼盖;有梁楼盖包括:单向主次梁式楼盖、十字交叉梁式楼盖、井字梁式楼盖和加腋整间大板式楼盖等。楼盖的选型需要综合考虑以下因素:荷载取值 (包括人防荷载、覆土厚度、消防车道、堆积荷载等) 、结构形式、使用功能、经济对比、人防等级、嵌固部位等。根据设计习惯和荷载情况, 地下室楼盖形式一般选择如下:1.人防区域顶板, 需考虑人防荷载, 且规范要求最小板厚 200mm, 常采用加腋整间大板式楼盖;2.停车库楼盖, 荷载较小, 一般采用有梁楼盖, 板厚常取 120mm;3.室外地库顶板, 因有覆土荷载和防水抗
5、渗要求, 板厚不小于 250mm, 常采用加腋整间大板式楼盖和无梁楼盖。1.3 地下室结构的抗震设计因地下室周边有很大刚度的挡土侧壁并受到外侧土压力的限制, 在地震作用下其侧向位移必然会受到土的约束, 所以地下室对高层建筑上部结构的嵌固效果是客观存在的, 因此上部结构底部的水平地震力通过地下室顶板进行传递是必然的, 故高层地下室顶板必须具有足够的刚度和较强的整体性, 以保证可将上部结构的地震力进行有效传递。带地下室的高层建筑, 当地下室顶板视作上部结构的嵌固端时, 地震作用下结构的屈服部位将发生在地上楼层, 同时将影响到地下一层;地面以下结构的地震响应逐渐减小。因此, 规范规定地下一层的抗震等
6、级不能降低, 而地下一层以下不要求计算地震作用, 其抗震构造措施的抗震等级可逐层降低。2 地下室结构设计常见问题2.1 基础底板作为高层建筑的基础, 地下室底板最重要的作用是承受上部结构顶板、内承重墙柱和挡土侧壁荷载3, 并将这些荷载传递给地基, 需保证地基的承载能力和沉降变形满足规范的要求;当底板作为上部结构基础时, 一般设计成平板式筏基或梁板式筏基形式。地下室底板的另一个作用是防水抗渗, 当结构基础采用桩基或是独立基础时, 底板常设计成防水板, 主要承受水浮力和自身重力作用, 需要进行裂缝控制。底板设计的常见问题是:一是面积和刚度不足易造成地基的承载能力不足, 从而造成不均匀沉降和侧移;另
7、一种是厚度不足造成开裂渗水, 易引起地下室漏水潮湿;因此底板设计时需要合理的布置和严格的计算。2.2 外墙地下室外墙的主要作用是:挡土、防水抗渗以及将地下室围护成封闭的空间, 其设计至关重要。外墙是地下室的主要组成部分, 承担着上部结构的竖向力、水平向的土压力、地下水压力、人防荷载以及地面的堆载等, 起主导作用的是水平方向的力4。计算地下室外墙的内力时, 应综合考虑各个方向的荷载值, 一般需要根据支承的边界条件和高宽比合理地选择计算模型, 常按四边支承单、双向板或是竖向悬壁板计算。设计时需要根据受力情况和裂缝宽度要求合理选择混凝土的强度等级和钢筋配筋率。2.3 顶板高层建筑所承受的水平荷载主要
8、通过地下室顶板传递给大地, 因此, 地下室顶板的刚度和厚度既要符合受力要求又要满足施工堆载的需要, 还要满足防水防渗的要求, 因此在钢筋设置方面规范有严格的要求。刚度较好的顶板能够对建筑物起到良好的约束和嵌固作用。地下室顶板的厚度有严格的要求, 根据抗震规范和高规的要求, 普通地下室顶板厚度不小于 160mm5, 作为上部结构抗嵌固端时, 地下室顶板厚度不小于 180mm;人防地下室顶板还需考虑人防荷载且要求厚度不小于 200mm。2.4 抗浮、抗渗地下室的特殊位置决定了其与土和水的接触非常密切, 当地下水位较浅、地下室层高过大或是埋深过深时, 地下室底板上的水浮力常会大于地下室总配重;当超载
9、的水浮力不能被平衡时, 地下室基础底板易上浮变形, 进而造成开裂或是不均匀沉降, 因此需要进行抗浮设计考虑地下水浮力的不利作用。地下室的抗浮设计有以下途径:一种是增加底板以上结构的配重, 包括增加覆土厚度、加大顶板和底板的厚度等以增大上部结构的重量, 但这种方法是以牺牲地基的承载力为代价的, 势必造成浪费;第一种方式是采取必要的措施减小水浮力 (或者称为降低水头) , 主要通过设置明沟、暗沟和排水井和抽水泵等措施, 将基础底板下的地下水排走从而降低水位以减小水浮力;第三种方法是采取措施分担或抵消多余的水浮力, 主要是设置抗拔桩或是抗拔锚杆, 这也是工程中使用最多的方式。3 高层民用建筑地下室结
10、构改进设计3.1 完善设计前期的准备工作设计人员首先应该全面了解建筑工程场地的基本情况, 深入现场踏勘, 掌握工程场地的现状分布, 熟悉地上建筑的层数、结构形式和荷载情况, 弄清地下室的埋深、使用功能及建筑尺寸。熟读本工程的岩土工程勘察报告, 弄清土质的分布情况, 根据地质报告和实际情况确定持力层和基础形式6。3.2 细化基本结构构件的设计根据各个工程的具体情况加以分析, 确定出每个工程地下室结构各个构件 (包括梁、板、柱、基础底板、挡土侧壁、抗拔桩等) 的布置方式、荷载传递途径、截面形式以及材料种类;针对各个构件的受力特点先分别考虑, 然后再总体包络设计, 再经过反复的计算对比, 最终设计形
11、成最合理最优化的结构整体。4 结语综上所述, 高层民用建筑的施工规模大、建造成本高、施工周期长。地下室的结构设计的技术问题种类繁多, 主要包括:地基承载力及变形问题、抗浮问题、不均匀沉降问题等4。对于高层民用建筑来说, 地下室的结构支承着整体结构的荷载, 合理的、安全的和耐久的地下室结构不仅能保证主体结构的安全, 更主要的是满足人们多样化的生活需求。高层建筑的地下室结构设计重点是保证承载能力、抗浮、防水、防渗、防沉降变形等方面。因此, 设计人员要不断提高自己的专业水平, 设计出安全可靠、功能强大的地下室结构。参考文献1广宽云.高层建筑人防地下室结构设计J.门窗, 2015 (1) :107-107. 2周钰涵.高层建筑地下室结构设计要点分析J.科技创新与应用, 2015 (8) :164-165. 3宋少刚.高层民用建筑结构设计的几点重要思考J.中国建材科技, 2015 (2) :101-102. 4徐霞.高层建筑地下室结构设计中常见问题分析J.四川建材, 2015 (2) :57-58. 5邝杰锋.某高层建筑地下室结构设计与分析J.建材与装饰, 2017 (3) :90-91.
