高层建筑地下室结构设计中的若干问题

高层建筑地下室结构设计中的若干问题（中钢集团工程设计研究院石家庄050021）摘要：本文简要介绍了高层建筑大底盘地下室结构设计中常见的一些问题，从5个方面展开叙述，提出了相应的解决方案并辅以一定的经济分析比较。关键词：抗浮设计；不均匀沉降；结构超长；基础型式1、前言现代高层建筑由于技术、经济等各方面的因素，一般都设有大底盘地下室，通常为1～2层，地下室面积约占整个建筑面积的10％左右。随着建筑物高度的不断增加，地下室的层数也随之增加。人们对地下空间需求的不断增长，致使裙房的底盘面积在增加。地下工程在整个建设项目中所占的比重越来越大。由于地下工程材料消耗大、建造周期长、施工难度大，因此结构设计的好坏将会对整个项目的设计周期、施工工期以及建造费用产生巨大的影响。另外，地下室结构的设计也比较复杂，主要技术问题有：地基承载力及变形问题、抗浮问题、不均匀沉降问题、结构超长问题、基础型式的选取和计算方法问题、人防设计等等；技术问题与经济因素息息相关，先进适用的技术能使建设项目取得良好的经济效益，而经济因素在一定程度上也会制约一些先进技术的使用。因此，如何协调好技术与经济在建设工程中的相互关系，是每个设计人员应该认真考虑的。本文以地下室结构设计中的技术问题为主线，结合具体的工程实例，简要分析地下室结构设计中的技术、经济问题及其相互关系。2、抗浮问题石家庄地区地下水位一般比较深，对于地下室埋藏较浅，层数在1～2层的高层建筑而言，一般在使用阶段不会存在抗浮问题。当地下室埋藏较深或地下水位较浅时（南方多雨地区），裙房及纯地下室部分可能会有抗浮不满足要求的问题。针对此种情况，应采取以下措施：(1)在设计允许的情况下，尽可能提高基坑坑底的设计标高，间接降低抗浮设防水位。高层建筑的基础底板多采用平板式筏板基础和梁板式筏板基础。一般而言，平板式筏板基础的重量与梁板式筏板基础上填覆土的重量基本相当，但后者的基础高度一般要比前者高，在保证基顶标高不变的情况下，后者的基础埋深要大于前者。从而相对提高了抗浮水位，故采用平板式筏板基础更有利于降低抗浮水位。(2)楼盖提倡使用宽扁梁或无梁楼盖。一般宽扁梁的截面高度为跨度的1/22～1/16，宽扁梁的使用将有效地降低地下结构的层高，从而相对降低了抗浮设防水位。(3)增加地下室的层高来增加地下室的重量是解决地下室抗浮问题的一个直接有效的方法，但这种方法还应该结合地基土的承载力而定；在对主体结构的地基承载力进行深度修正时，增加地下室的层高可以提高主体结构的有效埋置深度，从而提高了主体结构修正后的地基承载力特征值。①增加基础配重。此种方法大致有以下3种情况：增加基础底板的厚度、增加基础顶面覆土厚度、基础顶面采用容重大且价格低廉的填料。这三种方法的共同特点是：在增加基础配重用以解决抗浮问题的同时又不可避免的增加了基础的埋置深度，从而相对地提高了地下室抗浮设防水位的高度，因此它不是一种效率最高的方法。②增加地下室顶板的厚度。这种方法的优点是：在不增加基坑坑底标高的前提下，增加了地下室的重量，而且使用厚板后，地下室顶板的大板块之间可以不再设置次梁。但此种方法的缺点是会略增加地下室顶板框架梁的负荷，而且由于板厚有限，这种方法解决抗浮问题的效果也是有限的。(4)设置抗浮桩。表面上看这是一种解决抗浮问题行之有效的方法，但仔细分析，这种方法也有一定的局限性，从结构受力方面讲，由于地下室的抗浮设防水位是根据拟建场地历年最高水位结合近几年的水位变化情况提出来的，即使是经过重新评估后确定的抗浮设防水位，也是按一定的统计规律得出的结论。很显然，这种方法确定的地下水位在一般的情况下是很难达到的。加之设计计算的不精确性也使得抗浮桩具有一定的安全储备，因此，“抗浮桩”实际上长期起着“抗压桩”的作用。这种“反作用”将阻碍有抗浮要求的地下室的合理沉降，而这种变化将会使无沉降缝的大底盘地下室在主体结构和裙房之间产生更大的不均匀沉降差；同时设置抗浮桩后，计算基础底板内力及配筋时应考虑地下水压力，这样也会增加基础底板的荷载。另外一方面，如果地下水位长期处于一种较高的水平之上，设置抗浮桩也不乏是一种有效的方式。因此，抗浮桩是一把双刃剑，使用时需仔细考虑。3、不均匀沉降问题解决不均匀沉降问题大致有以下几种方法：(1)裙房和高层建筑之间设沉降缝，让各部分自由沉降，互不影响，避免由于不均匀沉降产生的内力，这是所谓“放”的方法。但实际上这样做，给建筑的立面处理、地下室的防渗漏、基础的埋置深度和整体稳定等带来很多困难。(2)裙房和高层建筑之间不设沉降缝，采用端承桩，将桩端置于坚硬的基岩或砂卵石层上。这样，既满足了地基承载力要求，又避免了明显的沉降差。这是所谓的“抗”的方法。但这种方法基础材料用量多，不经济，一般用于超高层建筑或地基持力层较差的情况。(3)在设计中不设沉降缝，而采取一定的措施，调整地基反力，尽量减少不同部分的地基反力差，从而减少沉降差。这是所谓“调”的方法。如：裙房部分采用天然地基，主楼部分采用复合地基或桩基。裙房和主楼部分采用不同的基础形式，主楼采用筏基或箱基，裙房采用独立基础或条形基础。目前，石家庄地区比较常用的方法是在主体结构部分采用CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）复合地基，在裙房及纯地下室部分采用天然地基。(4)在主裙楼之间设置沉降后浇带，钢筋不断，先施工主楼，待主楼封顶完成大部分沉降后，再施工裙房。两部分沉降基本稳定后再浇筑后浇带。这样，用调时间差的办法解决了沉降差，同时又避免了设置沉降缝带来的麻烦。这也是一种“调”的方法。4、地下室结构超长问题由于建筑布局的要求，有时地下室结构超长，多数情况下都超过了40～60m。地下结构虽然受温度变化的影响较地上结构小，但周边约束作用较强，结构超长问题的重要性仍然不容忽视。目前比较成熟的做法有以下几种：(1)设置伸缩后浇带。地下结构一般在结构长度大于40～60m时宜设置一道伸缩后浇带，普通的伸缩后浇带宽度约为800～1000mm，钢筋贯通不切断。对于平面尺寸特别长的地下结构，应设置钢筋断开的伸缩后浇带，后浇带的宽度按钢筋搭接所需最小尺寸和必要的操作空间确定。(2)不设置伸缩后浇带，采取其它相应措施。主要有：采用低强度等级混凝土；混凝土中添加微膨胀剂；采用粉煤灰混凝土技术；适当加大分布钢筋配筋量；施工缝处设置膨胀止水条；设置膨胀加强带。事实上，目前已建成的许多建筑结构，由于采取了上述措施，并进行了合理的施工，伸缩缝间距已超过了规范规定的数值。(3)以上两种方法结合使用。5、基础型式的选取及计算分析方法现代高层建筑多为大底盘多塔楼式建筑群，由于上部结构荷载差异巨大，导致基底反力相差很大，因此，对基础而言，应根据不同的上部结构型式、荷载大小、地基的承载力及刚度等采用不同的基础型式。目前高层建筑中比较常用的基础型式有：筏板基础、箱型基础、桩筏基础和桩箱基础等。在石家庄地区筏板基础是应用最多的一种基础型式，因此，就筏板基础的有关问题进行讨论。(1)平板式筏板基础和梁板式筏板基础的适用范围。相邻柱间距及柱荷载差别较小时适用平板式筏板基础，反之则宜采用梁板式筏板基础。此外，底板标高变化较多时宜采用平板式筏板基础。通常，在材料用量相当的情况下，梁板式筏板基础的刚度较平板式筏板基础大。(2)梁高、板厚的选取及计算方法。计算筏板基础时，目前常用的方法有“倒楼盖”法、弹性地基梁板方法和有限元分析方法。其中“倒楼盖”是一种传统方法，按该法进行基础设计时，基础内力按基底反力直线分布进行计算。按《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2002）(以下简称《规范》)的要求进行计算时，要求地基土比较均匀、上部结构刚度较好、荷载分布比较均匀、梁板式筏板基础梁的高跨比或平板式筏板基础的厚跨比不小于1/6，当不满足上述要求时应按弹性地基梁板计算。《规范》对基础梁高跨比和筏板厚跨比的要求，是要保证基础具有一定的刚度，但基础刚度应与基底反力的大小相匹配，对于层数较多的高层建筑而言，该要求很容易满足，但对于层数较少的高层建筑而言，该条款要求就显得偏严。(3)基础底板抗冲切验算及抗剪切计算。按《规范》第8.4.5条规定，梁板式筏基底板应满足受冲切承载力和受剪切承载力的要求，通过对跨度从6～10m、长宽比从1～3、板厚从400～1000mm变化的梁板式筏基底板的计算来看，梁板式筏基底板都是受冲切承载力起控制作用，因此一般的梁板式筏基底板可以不进行底板受剪切承载力的验算。对于平板式筏基而言，底板的柱下及核心筒边的抗冲切验算则必不可少，且应考虑不平衡弯矩的作用，尤其是边柱和角柱。(4)采用平板式筏板基础时，宜设置平面尺寸较大的柱帽。设置柱帽有以下优点：解决底板抗冲切问题；减小底板的计算跨度；减小支座负筋。6、人防地下室的结构设计由于人防的要求，高层建筑的地下室常兼作人防地下室。普通民用建筑的防空地下室人防等级一般以五、六级居多。按照平战结合的设计原则，同时考虑结构的受力特点以及经济因素，五级人防区多设置在主体结构部分，六级人防区多设置在裙房或纯地下室部分，并且人防区基本上都位于地下室最下一层。人防地下室和非人防地下室相比，由于增加了核爆动荷载以及对辐射等方面的要求，二者在结构设计上有较大区别，主要体现在荷载及荷载组合、材料强度、内力计算和构造规定等方面。人防底板的荷载控制问题。人防地下室位于主体结构部分时，人防底板一般是平时荷载起控制作用；人防地下室位于纯地下室部分时，当仅有一层地下室且顶部有覆土时，人防底板一般是战时荷载起控制作用，当有两层或两层以上的地下室且顶部有覆土时，人防底板一般是平时荷载起控制作用。7、结语地下室的结构设计是一个综合性很强的问题，涉及内容繁多且复杂，有些问题至今尚未得到很好的解决，如：地基与基础的相互作用问题、上部结构刚度对地基基础的影响等等。现代高层建筑由于地下工程庞大，建设工程在地下的投资已经接近甚至超过了地上，因此无论是从技术还是从经济的角度讲都需要我们更深入地研究地下室结构设计的技术问题，提高设计水平，真正做到技术与经济同步、安全与适用协调。