对高层建筑地下室结构设计探讨

　　摘要：本文是笔者结合多年建筑结构设计经验，主要针对高层建筑地下室结构设计的几个方面进行了探讨。以供参考。
　　关键词:地下车库、抗浮锚杆、抗拔桩、沉降差异、抗水板、地下车库楼盖
　　前言
　　近年来，在公共场所繁华闹市地带的高层建筑一般都设计了地下室，作为地下商场或地下车库。出于安全性和实用性以及经济效益的考虑，地下室机构设计显得尤为重要，成为整个工程的重中之重。
　　1、地下室的设计
　　1.1基础的选型：
　　1.1.1《高规》12.1.1条规定，高层建筑基础设计，应综合考虑建筑场地的地质状况及水位、上部结构类型、使用功能、施工条件以及邻近建筑的相互影响，以保证建筑物不致发生过量沉降或倾斜，并能满足正常使用功能要求。还应注意了解邻近地下构筑物及各类地下设施的位置和标高，以保证基础的安全和确保施工中不发生意外问题。
　　1.1.2基础形式应选用整体性好，能满足地基承载力和建筑物容许变形的要求，并能调节不均匀沉降，达到安全实用和经济合理的目的。
　　根据上部结构类型、层数、荷载及地基承载力，中小高层建筑地下室基础可采用条形交叉梁基础、满堂筏板、桩筏或箱形等基础形式。筏板基础可以是梁板式和平板式，当建筑物层数较多、地下室柱距较大、基底反力很大时，宜优先采用平板式。当采用梁板式筏基时，基础梁截面大必然增加基础埋置深度，当水位高时更为不利，梁板混凝土需分层浇筑，而且梁支模费事，因而增长工期，综合经济效益不一定比平板好。
　　1.2抗浮设计
　　1.2.1《地基规范》3.0.3条规定，岩土工程勘察报告应提供用于计算地下浮力的设计水位。结构抗浮验算必须根据岩土工程勘察单位提供的地下水浮力的设计水位来验算。
　　1.2.2抗浮验算时永久荷载的分项系数取值，各地区可能与《荷载规范》不同，当有地区标准按当地的标准，无地区标准则按《荷载规范》。验算建筑物抗浮能力必须满足：
　　(建筑物永久荷载/水浮力)≥1.0
　　式中建筑物永久荷载为标准值（不计算可变荷载），按《规范荷载》3.2.5条应乘分项系数0.9。
　　1.2.3当抗浮设计水位较高，裙房满堂地下室或地下车库需要采用抗浮措施时，应按工程具体情况区别对待。如果裙房满堂地下室或地下车库是独立建筑，与高层主楼基础没有连接成整体，并有一定距离不会因差异沉降造成影响时，抗浮措施可以根据经济技术比较采用：抗浮锚杆、抗拔桩或压重等方法；如果高层主楼基础与裙房满堂地下室或地下车库连接成整体，均采用桩基，通常抗浮可采用抗拔桩的方法来解决，这几年预应力管桩应用也比较普遍，可以节约桩基成本大约15%，提高桩基工期大约10%；如果高层主楼基础与裙房满堂地下室或地下车库连接整体，并且高层主楼采用的是天然地基预估有若干沉降量，裙房或地下车库抗浮宜采用压重（采用素混凝土，重度不小于30KN/M2钢渣混凝土或砂石料）方法，不宜采用抗拔桩或抗浮锚杆，否则必将与高层主楼之间形成差异沉降而造成底板开裂的影响，尤其如北方很多城市的抗浮设计水位由于考虑南水北调提供的较高，但实际地下水位目前而言都是非常低的，如果抗浮采用抗拔桩或抗浮锚杆，裙房或地下车库与主楼间基础沉降差异将是非常突出的问题。
　　1.3建筑物上部结构、地下室、地基的相互作用关系
　　1.3.1高层建筑的基础上部整体连接着层数很多的框架、剪力墙结构，地下室四周很厚的挡土墙又紧贴着有效侧限的密实回填土，下部又连接着沿深度变化的地基。无论在竖向荷载还是水平荷载的作用下，它们都会有机地共同作用，相互协调变形。尽管在这方面的设计计算理论仍不够完善，但如果仅仅把基础从上部结构和下部地基的客观边界条件中完全隔离出来进行计算，是根本无法达到真正设计要求的目的。
　　1.3.2无论是采用箱基还是筏基，诸多工程的实测都显示；底板的整体弯曲率都是很小的，往往都不到万分之五。有一些高层建筑箱形基础的实测值都仅在（0.16～3.14）×10-4之间。我国测得的筏底板钢筋应力一般都在20~30N/mm2之间，只有钢筋强度设计值的十分之一，个别内力较大的工程也几乎没有超过70N/mm2。
　　出现这种基础底板内力远远小于常规计算方法的因素很多，如在基础底板施工时，只有底板的自重，且无任何上部结构的边界约束，而混凝土的硬化收缩力大，在底板的收缩应变的过程中，使混凝土中的纵向钢筋产生了预压应力。另外，基础底面和地基土之间巨大的摩擦力起着一定程度的反弯曲作用。摩擦力是整栋建筑的客观边界条件，不能视而不见。特别是对于天然地基的箱形和筏形基础来讲，地基土都比较坚实，变形模量和基床系数都比较大，则基础底板的内力和相应的挠曲率势必会相应减少。
　　1.3.3除了上述等因素外，最主要的是上部结构和地下室整体刚度的贡献，并参与了基础的共同抗力，起到了拱的作用，从而减少了底板的挠曲和内力，对若干工程基础受力钢筋的应力测试表明，在施工底部几层时，基础钢筋的应力都是处于逐渐增长的状态，变形曲率也逐渐加大。但施工到上部第4、5层时，钢筋的应力达到最大值。然后随着层数以及其相应的荷载逐步增加，底板钢筋的应力又逐渐减少，变形曲率也逐渐减缓。其原因是，在施工到第4、5层时，已建的上部结构的混凝土尚未达到强度，刚度也尚未完成，这时的上部荷载全部由基础底板来独自承担。但随着继续往上施工，上部结构的刚度逐渐的形成，并逐渐加大，和基础底板形成整体作用，共同抗力，则产生了拱的作用，使基础底板的变形趋于平缓。例如某工程，地下2层，地上10层，箱形基础实测显示：钢筋应力随着底部楼层施工的增高而增大，当施工至连同地下室共5层时,基础底板钢筋应力最大值为30N/mm2，第5层以后，底板钢筋应力随楼层施工的增高反而减小了，结构封顶时底板钢筋实测最大应力确只有4N/mm2。
　　2高层主楼与地下室车库之间的处理
　　2.1目前在写字楼、商住综合楼及住宅建筑中，有时为解决有足够的汽车停放位置，需要设置地下停车库。当主楼及部分裙房所占地面积较大时，在建筑物下设多层地下室，将部分用作停车库，这是常见的第一种地下汽车库形式。现在一些住宅小区和商住综合楼楼群中，为了有较好的生活环境，建筑物之前设有庭院绿化，利用地下空间设置1至2层停车库，并与楼房连通，这是近十年来出现的第二种地下汽车库形式。
　　2.2应该采取有效措施使主楼与裙房基础的沉降差值在规范允许的范围内，或通过计算确定沉降差异所产生的基础及上部结构的内力和配筋，也可以不设置沉降缝。
　　为使裙房基础沉降量接近主楼基础沉降量，减少沉降值差异，通常设计时可采取下列措施；
　　（1）裙房基础埋置在与高层主楼基础不同的土层，使裙房基底持力层土的压缩性大于高层主楼基底持力层土的压缩性；
　　（2）裙房采用天然地基，高层主楼采用桩基础或复合地基；
　　（3）裙房基础应尽可能减少基础底面面积，不宜采用满堂基础，以柱下单独基础或条形基础为宜，并考虑主楼基底压力的影响。
　　（4）一般当裙房地下室需要有防水处理时，地面也可采用抗水板的做法，柱基之间设梁支承抗水板或者无梁平板，在抗水板下铺设一定厚度的宜压缩材料，如泡沫聚苯板或干焦碴等，使之避免因柱基或条形基础梁基础沉降时抗水板反而成为满堂基础筏板。易压缩材料的厚度可根据基础最终沉降值估计。抗水板上皮至基底的距离不宜小于1m，抗水板下原有土层不应夯实处理，当压缩性低的土层可刨松200mm。抗水板做法如下图所示:
　　
　　3基础底板及地下室外墙后浇带中是否可以不要加强筋
　　3.1《高规》4.3.13条规定，每30~40m间距留出施工后浇带，带宽800~1000mm，钢筋采用搭接接头，后浇带混凝土宜在两个月后浇灌。
　　3.2施工后浇带的作用是释放混凝土硬化过程中的收缩应力，减少或控制混凝土的初始裂缝。在20世纪80年代的许多图册或手册中，后浇带（包括施工后浇带和沉降后浇带）处的梁、板和墙的钢筋要求断开，为使混凝土收缩更自由减少约束，在后浇带浇注梁的钢筋采用焊接，板、墙钢筋采用搭接，由于此类做法施工费事而且难以保证焊接质量，因此，从20世纪90年代起在后浇带处钢筋连续不再断开。现在有的图集和资料中要求在后浇带范围增设加强钢筋，这是没有必要的，相反增大约束，丧失了后浇带的作用，也增加了钢筋的用量反而增加了工程成本。
　　4、地下室车库楼盖的结构形式
　　4.1、采用无梁式或梁板式，通常根据地基、地下水位、车库层数及与楼房地下室标高相互关系来确定。地下停车库按净距7.2m停放三辆车，柱网间距一般为8m，车库顶板以上填土厚度常为1.0~1.2m，地下车库内设有通风管、喷洒水管等机电管线，净高最低点要求不小于2.2m（小型汽车库）。也有许多工程为了减少层高争取有较大净高、减少土方及水浮力，采用了无梁楼盖，为解决板的抗冲切，楼板设托板，顶板设反柱帽或托板加反柱帽，这种结构形式综合经济效益是比较好的。如下图：
　　
　　
　　4.2、薄壁筒体现浇钢筋混凝土空心楼盖，同时有的工程还采用了蜂巢混凝土空腹楼盖技术：现浇钢筋混凝土空心楼盖技术是最近几年国内发展起来的结构新技术，它适应大空间、大跨度柱网的住宅和公共建筑，具有自重轻、楼板刚度大、降低地震作用、增加隔声、隔热等优点，受到了业主的欢迎。现浇钢筋混凝土空心楼盖应用越来越广泛，质优价廉的芯模的需求量也越来越大。在国内，有许多科研单位和生产厂家在研制和开发芯模产品，其材料和配料各有不同，形式多种多样、各具特色的品种。在市场激烈的竞争中，质优价廉的芯模对于现浇钢筋混凝土空心楼盖结构技术的迅速发展起着十分重要的作用。现浇空心楼盖结构除能实现大空间外，还有使用功能灵活、隔音效果好、降低层高、使用面积增大、建筑自重减轻、节约模板、室内装饰投入少，施工进度加快、减少消防隐患等优点，能产生一定的社会效益盒经济效益，经过概算与现有结构体系相比综合造价降低5%以上。
　　4.3、无粘结预应力技术：
　　无粘结预应力结构有较强的优越性，解决了普通混凝土结构不易解决的大跨度结构的挠度及抗裂度问题。由于减轻了结构的自重，改善了结构的性能，采用最小的构件尺寸满足了结构的强度、刚度及抗裂的要求，并能增大净高（在同层高的情况下），减少了钢筋、混凝土及模板的用量，因此既能加快工程进度，又减少工程造价，提高结构的耐久性。另外，这种结构还提高了建筑物的使用功能。大跨度空间提供了灵活布局的建筑平面，提高了建筑物的有效使用面积，特别在商品住宅的建筑中，可提供业主较大的平面想象空间，为开发商提供较好的经济效益。无粘结预应力结构的地下车库底板、顶板具有板薄、防水、抗渗的要求，适合于无缝结构设计，但同时在施工控制过程中具有一定技术难度。其施工时，预应力钢筋及普通钢筋的铺放，预应力钢筋最低点及最高点、反弯点的控制和锚具的位置、预应力张拉等控制也是施工质量的关键。

《对高层建筑地下室结构设计探讨》

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