對某建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究

摘要 建筑工程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計是保證建筑工程整體建設(shè)質(zhì)量的重要前提與基礎(chǔ)，其質(zhì)量優(yōu)劣直接關(guān)系到建筑物使用過程的可靠性與安全性，并以人民群眾的生命與財產(chǎn)安全息息相關(guān)。本文結(jié)合某地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計實例，對地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算方法進(jìn)行了分析。并從安全角度提出了設(shè)計過程中的一些要點，以期對今后同類設(shè)計起到一些參考作用。

關(guān)鍵詞 建筑結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；計算

中圖分類號 TU93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-（2012）122-0112-02

隨著社會以及城市化建設(shè)的發(fā)展，城市用地日益緊張，高層建筑因用地的緊缺、能夠合理應(yīng)用豎向空間，已經(jīng)成為建筑工程的主流趨勢。為了滿足建筑功能及基礎(chǔ)埋深的需要，一般均設(shè)有一層或多層地下室，平時做為車庫、設(shè)備用房或商業(yè)用途，戰(zhàn)時將其中部分或全部用做人防設(shè)施。由于地下室設(shè)計荷載較大，防水抗裂要求高，其造價占整個項目造價的比重也相當(dāng)大。由于地下室所處的位置以及影響的設(shè)計因素較多，要考慮的技術(shù)問題較多，如不均勻沉降、地下室抗浮等，這些都造成地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中起著重要作用，更是不容忽視，稍有設(shè)計不當(dāng)將會給整個建筑結(jié)構(gòu)帶來安全隱患。

1 工程概況

某高層建筑高度為54 m，為18層的鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地下為1層結(jié)構(gòu)，該工程采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)管樁，以強(qiáng)風(fēng)化巖或中風(fēng)化巖為持力層，單樁承載力特征值1800 kN，底板采用筏板，抗浮水頭5.5 m。建筑抗震設(shè)計類別為丙類，工程所處地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10 g?？蚣芎图袅Φ目拐鸬燃壘鶠槿墸渲锌蛑е?、框支梁為二級。裙樓結(jié)構(gòu)部分的抗震等級與主體結(jié)構(gòu)相同，應(yīng)為二級。地下室在平時主要作為停車庫，戰(zhàn)時則作為人防工程，人防等級設(shè)計為六級。

2 上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的確定以及地震作用計算

上部結(jié)構(gòu)嵌固部位如何合理地選取很關(guān)鍵，這往往影響著計算模型的計算分析。例如，對于大底盤的地下室來說，其上部結(jié)構(gòu)為幾棟的塔樓，在選取上部結(jié)構(gòu)嵌固部位時若將其取在基礎(chǔ)頂面，則上部幾棟塔樓相應(yīng)地下室結(jié)構(gòu)都必須按多塔來進(jìn)行建模計算分析，這顯然不現(xiàn)實。若將上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位選取在地下室頂板，這幾棟塔樓的地下室都將作為一個整體進(jìn)行單獨計算，這顯然符合實際要求。為了使地下室頂板能夠作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，就必須在進(jìn)行地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計時使其滿足作為嵌固部位的要求。因此，本工程的地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行了以下結(jié)構(gòu)設(shè)計：

1）本工程為人防地下室，地下室的頂板未布置大洞口；同時地下室頂板采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，頂板厚度取為300 mm滿足規(guī)范規(guī)定不宜少于180 mm的要求；樓板混凝土強(qiáng)度等級選用C35，采用雙層雙向鋼筋配置方式，而且保證每層每個方向的配筋率大于0.25%。這些確保了本工程的地下室頂板具有足夠的強(qiáng)度來作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，同時確保了具有足夠的剛度來傳遞上部結(jié)構(gòu)的力到地下室構(gòu)件上。

2）地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端，其樓層的側(cè)向剛度不宜少于相鄰上部樓層的側(cè)向剛度的2倍。本工程的地下室進(jìn)行初步設(shè)計時，為了滿足這要求，采用剪切剛度比來進(jìn)行設(shè)計，如下面兩公式所示：

γ=G0A0h0/G1A1h1 （1）

[A0，A1]=AW+0.12AC （2）

式中，G0、G1分別為地下室及地上1層的混凝土剪變模量；A0、A1分別為地下室及地上1層的折算受剪面積；AW為抗震墻全部有效面積；h0、h1分別為地下室1層及地上1層的層高；AC全部框架柱截面面積。

在進(jìn)行本工程的地下室剛度設(shè)計時，采用SATWE軟件對側(cè)向剛度比值進(jìn)行了調(diào)整，從而得到了滿足規(guī)范要求的地下室結(jié)構(gòu)與相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度比值，經(jīng)計算剪切剛度比為0.2985<0.5，

滿足規(guī)范要求，可作為嵌固。

3）地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，其抗震等級的選取以及抗震構(gòu)造措施的采取是決定地下室構(gòu)件計算是否正確的關(guān)鍵。按照規(guī)范要求，本工程的地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，地下室一層的抗震等級按照上部結(jié)構(gòu)的采用，即采取三級抗震。

3 地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 地下室基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)本工程地質(zhì)報告的情況，本工程采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，持力層為強(qiáng)風(fēng)化巖或中風(fēng)化巖，500 mm直徑管樁單樁承載力特征值1800 kN，巖層承載力較高，可滿足沉降的要求。

3.2 地下室頂板設(shè)計

本工程地下室頂板上設(shè)計了園林景觀，需覆土0.5 m，同時考慮到設(shè)備管線的高度及其保護(hù)土層厚度，最后確定覆土厚度為1.1 m。

1）主樓室內(nèi)部分地下室頂板設(shè)計。主樓室內(nèi)部分的地下室頂板適宜考慮施工階段的承載力驗算，因此考慮施工荷載后樓板荷載取為5 kN/m2。

2）園林景觀頂板設(shè)計。園林景觀部分除考慮覆土的重量外，尚需考慮景觀、道路及附屬設(shè)施的荷載；本工程景觀部分荷載取值為4 kN/m2，消防車道部分荷載較大，按照規(guī)范的要求應(yīng)為

35 kN/m2，但考慮到本工程地下室頂板上有1.1 m的覆土，荷載經(jīng)過擴(kuò)散后實際傳導(dǎo)到梁板上的荷載已大大減小，經(jīng)計算擴(kuò)散后消防荷載取值可按27 kN/m2考慮。

3）人防地下室的荷載取值。由地下室一層為人防地下室，所以對于本工程中的露天頂板要考慮到爆動荷載影響，但鑒于人防地下室頂板的爆動等效荷載要比消防車作用的板面等效荷載大，因此人防地下室頂板的荷載按照六級人防頂板的等效荷載考慮，取750kN/m2，但在設(shè)計中不同時考慮這兩種荷載的組合，僅需按人防爆動等效荷載進(jìn)行地下室頂板計算。

3.3 地下室側(cè)壁設(shè)計

1）進(jìn)行地下室側(cè)壁設(shè)計時，側(cè)壁主要考慮的荷載有：結(jié)構(gòu)自重、地面堆載及活載、防核爆等效靜荷載、側(cè)向土壓力、地下水壓力等，由于側(cè)壁受有多種荷載共同作用，受力較為復(fù)雜，為了簡化計算，在設(shè)計中可作如圖1所示的合理的簡化。

本工程地面活荷載取為q=10 km/m2，則折算土的厚度應(yīng)為

h=10/18=0.56 m，等代土壓力采用公式σ0=γ1h1ka計算。側(cè)向土壓力對于地下水位以上的土壓力采用公式σs1=Υh2ka，對于地下水位以下的土壓力則采用公式σs2=Υh3ka計算。

本地下室工程的側(cè)壁采用以上所介紹的公式以及簡化計算見圖1，經(jīng)計算地下室1層的側(cè)壁板厚取為350 mm。

2）側(cè)壁的構(gòu)造要求是，在與土壤接觸的側(cè)壁混凝土保護(hù)層取為40 mm，地下室內(nèi)部的混凝土則取為15 mm。把地下室側(cè)壁的水平鋼筋配置在外側(cè)，而豎向鋼筋配置在側(cè)壁內(nèi)側(cè)。為了有效控制本地下室的側(cè)壁混凝土開裂，混凝土強(qiáng)度等級并不宜取得高，以減小混凝土的收縮應(yīng)力，工程混凝土強(qiáng)度等級取為C35。同時，本工程還設(shè)置了多道后澆帶，有效的減小了地下室混凝土開裂。

3.4 地下室底板設(shè)計

1）地下室底板主要以抗?jié)B和抗浮計算為主，地下水位按50a一遇考慮取在室外地坪，抗浮水頭5 m，抗?jié)B等級P6。地下室底板所處土層為淤泥及淤泥質(zhì)土，承載力較低不能作為持力層，故本次設(shè)計地下室底板按倒樓蓋設(shè)計，采用無梁樓蓋的方法計算，采用經(jīng)驗法，經(jīng)計算地下室底板厚600 mm。

2）地下室底板的鋼筋布置要合理。地下室底板同一方向的梁板面筋應(yīng)布置在相同標(biāo)高上，沒必要把兩個方向的板面筋布置在梁面筋以下。這是由于基礎(chǔ)梁兩個方向的面筋本身就存在高差，而若把底板雙向的面筋都布置在基礎(chǔ)面筋下，則會造成底板面筋的面筋保護(hù)層過大，造成窩頂情況出現(xiàn)。

3）抗浮樁的驗算與設(shè)計。

式中，G為柱底傳來恒載標(biāo)準(zhǔn)值即建筑物自重包括覆土自重（向下）；n為柱下抗浮樁的樁數(shù)；Ra為抗浮樁的單樁抗浮承載力特征值；Fw為與柱對應(yīng)的受荷范圍內(nèi)地下水浮力標(biāo)準(zhǔn)值（向上）。

該公式中荷載標(biāo)準(zhǔn)值對應(yīng)于樁的特征值，相當(dāng)于基礎(chǔ)地耐力計算式，概念較為明確，且在驗算建筑物之抗浮能力時不應(yīng)考慮建筑物上的活荷載。水浮力標(biāo)準(zhǔn)值Fw=Hw×10×A，Hw為水頭高度，即抗浮設(shè)計水位與地下室底板底之間的高度；A為水浮力的作用面積。因地下室抗浮是一個十分重要的問題，若考慮不當(dāng)將會帶來嚴(yán)重的后果，且補(bǔ)救較為困難，所以抗浮驗算時安全系數(shù)取1.1。另外，在設(shè)計中有許多對抗浮有利的因素在公式計算中無法體現(xiàn)，且均未予以考慮。如黏性土的阻水作用，地下室側(cè)壁的側(cè)阻作用，底板與土壤的粘結(jié)力和吸力均未記入，上部建筑物及地下室的整體剛度很大，上部建筑物的壓重在地下室部分的擴(kuò)散作用均未考慮，這些有利因素均可作為安全儲備。

該工程樁基抗浮驗算時分兩種情況，一種為柱下抗浮樁，另一種為非柱下抗浮樁。對于柱下抗浮樁（取⑥軸交F軸處柱下樁計算）建筑物自重及覆土自重的標(biāo)準(zhǔn)值G=1755 kN，而該處承受的向上的水浮力標(biāo)準(zhǔn)值Fw=1037 kN，G>1.1 Fw，說明在有柱子的情況下，建筑物的自重及覆土自重比受到的水浮力大很多，足以滿足抗浮要求而無需抗浮樁。因此，對于柱下樁可不考慮抗浮要求，僅需滿足豎向抗壓承載力就可以了。對于非柱下抗浮樁（?、掭S～⑦軸交F軸～G軸中間處非柱下樁計算），由于其承受的建筑物自重較小，G=489 kN，F(xiàn)w=1037 kN，G>1.1 Fw。因此，非柱下樁必須考慮抗浮要求。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告提供的數(shù)據(jù)及土層情況，經(jīng)計算確定該工程抗浮樁的單樁豎向抗浮承載力特征值Ra=680kN。因此，根據(jù)上述抗浮計算公式G+nRa>1.1Fw，89kN+680kN=1169kN>1.1×1037kN，滿足抗浮要求。

參考文獻(xiàn)

[1]都軍花，梁麗芳.建筑工程中地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計探討[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2009，25（9）：179-180.