高层地下室结构设计时的一些常见问题的分析及解决

高层地下室结构设计时的一些常见问题的分析及解决
摘要：随着城市发展的需求，现代高层建筑由于技术、经济、使用等各方面的因素，一般都设有大底盘地下室，通常为1～2层，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；这里仅对地下室设计中遇到的常见问题进行分析，并给出对策措施，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。

关键词：抗震等级和嵌固端抗浮不均匀沉降裂缝保护层
1.抗震等级和嵌固端问题
地下室如果设计不当，对整体抗震性能会产生较大影响。

地下室顶板室内外板面标高变化处，当标高变化超过梁高范围时则形成错层，未采取措施不应作为上部结构的嵌固部位，规范明确规定作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶楼盖应采用梁板结构，地下室顶板为无梁楼盖时不应作为上部结构嵌固部位。

《建筑抗震设计规范》第6.1.3条规定：当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下一层的抗震等级应与上部结构相同，地下一层以下抗震构造措施的抗震等级可逐层降低，但不应低于四级。

地下室中无上部结构的部分，抗震构造措施的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。

因此，要合理确定地下室的抗震等级，必须首先解决嵌固端是首要问题，下面对嵌固端进行如下分析和设计：
1）嵌固部位的刚度比要求：
PKPM计算时宜采用剪切刚度比或地震力与相应层间位移比的计算方法
（剪切刚度比较严格），当地下室是上部多塔楼的大底盘（无裙房）的，拟将地下室顶部作为嵌固端的条件是：大底盘地下室的整体刚度与所有塔楼的总刚度比不应小于2，每栋塔楼有效影响范围内的地下室（塔楼周边外扩与地下室高度相等的水平长度）剪切刚度与相邻上部塔楼的剪切刚度比不应小于1.5。

2）将地下室一层顶板作为嵌固端的构造：
（A）地下室一层的抗震等级与上部结构相同，地下室一层以下楼层或地下室无上部结构的部分，抗震等级可据具体情况采用三级或更低等级。

SATwe 可任意指定各类构件的抗震等级和材料的强度等级。

（B）地下室顶板与室外地坪的高差宜小于本层层高的1/3。

（C）地下室顶板应采用现浇梁板结构。

顶板不应开大洞，板厚度不宜小于180，砼强度不应小于C30，双层双向配筋，每个方向每层配筋不宜低于0.25%。

（D）地下室柱截面每侧纵向钢筋面积，除应满足计算要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍。

注意软件不能实现该项要求，设计人员可在施工图设计时将钢筋放大系数取为1.1，增加的钢筋不应向上延伸，可锚固在地下室顶板的框架梁内。

（宜采用增加纵筋根数的方法）
（E）地下室顶板的框架梁应有足够的抗弯刚度，顶板梁柱节点左右梁端实际受弯承载力之和不宜小于上下柱端实际承载力之和。

SATWE可按照此要求进行设计内力调整。

（F）地下室一层的剪力墙应作为加强区配置约束边缘构件，地下一层以下可以不加强。

SATwe设有选项“剪力墙加强区起算层号”，通过该项可以指定剪力墙的加强区包括地下室一层。

3）将地下室其他楼层作为嵌固端的条件：
如地下室顶板开大洞，地下室顶板与室外地坪的高差大于本层层高的
1/3，或地下一层为墙体较少的汽车库时，不能满足地下室顶板作为结构嵌固端的要求时，可将嵌固端下移到地下室其他楼层或地下室底板。

尚应满足以下要求：
（A）地上一层往下各楼层的剪切刚度应递增，且嵌固端楼层的剪切刚度应大于地上一层剪切刚度的2倍。

（B）地下室底板（基础）刚度较大时，例如为箱型、筏形基础等，其地下室底板可作为嵌固端。

4）地下室嵌固端的设计步骤
（A）将地下室与上部结构作为一个整体计算，嵌固部位可暂定在底板处，若采用地震力与相应层间位移比的计算方法，应将“地下室层数”设为0或将“回填土对地下室约束作用的相对（弹簧）刚度比”设为0，进行第一次计算，考察结果：如有刚度比大于2的，可将该层顶板作为嵌固端。

若没有刚度比大于2的，需要时改进设计增加该层地下室的侧向刚度重新计算，或将底板作为嵌固端。

（B）设定回填土的约束刚度比。

如地下室满足嵌固条件，“回填土对地下室约束作用的相对（弹簧）刚度比”填为负数m。

如地下室各层均不满足嵌固条件，一般将嵌固端设在基础底板处，并根据回填土的约束刚度的大小填1～5之间的正数，按弹簧刚度法计算。

（C）采用剪切刚度比法时剪切刚度比仅与结构本身构件刚度有关，与回填土等因素无关。

2.抗浮问题
苏州地区地下水位一般比较浅，雨水较多，对于地下室层数在1～2层的高层建筑而言，一般在使用阶段应该考虑存在抗浮问题。

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).增加地下室的自重是解决地下室抗浮问题的一个直接有效的方法，此种方法大致有以下3种情况：增加地下室顶板压载、基板加载、边墙加载等方法增加地下结构物自身重量(即恒载)。

这种方法的优点是施工及设计较简单;缺点是当结构物需要抵抗浮力较大时，由于需大量增加混凝土或相关配重材料用量，费用增加较多。

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。

(4).延伸基板法。

此种方法是将地下结构物的基板向外延伸而形成翼板，由翼板承托覆土以抵抗上浮力。

这种抗浮力可能有两种：一种是垂直压力和侧翼压力之和；另一种是为垂直压力与土间摩擦力之和，要取这两种力量中的较小者。

但是，为了要延伸基板而成翼板，开挖的范围将因而加宽，土方及使用土地面积也将因而加大，其所增加的抗浮力变大。

此法一般适用于不受场地限制的规模较小地下结构物的抗浮，否则，不宜采用。

在实际工程中，对规模较大的地下结构物的抗浮，很少采用此法作抗浮措施。

(5).设置抗拔桩。

抗拔桩是抗浮设计中常用的方案之一，只要条件允许，抗拔桩一般均嵌入坚硬而埋藏较浅的基岩中。

由于造价及施工条件的限制，抗拔桩一般入岩不深，需要对入岩桩段部分进行桩端灌浆处理。

如果上覆土层较厚，桩无法埋入基岩，那就只能全靠桩侧土的表面摩擦阻力抗拔，
此摩擦阻力较小，抗浮效果不佳；若在桩端设置扩大头，则能大大提高桩的抗拔能力。

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，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。

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。

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。

(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。

4.地下室超长问题
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，防止裂缝开展，应采取相应措施，目前比较成熟的做有以下几种：
(1).设置伸缩后浇带。

作为混凝土早期短时期释放约束力的一种技术措施，较长久性变形缝已有很大的改进并被广泛应用。

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：①补偿收缩混凝土，即在混凝土中渗入UEA、HEA等微膨胀剂。

以混凝土的膨胀值减去混凝土的最终收缩值的差值大于或等于混凝土的极限拉伸即可控制裂缝；②膨胀带，由于混凝土中膨胀剂的膨胀变形不会与混凝土的早期收缩变形完全补偿，为了实现混凝土连续浇注无缝施工而设置的补偿收缩混凝土带，根据一些工程实践，一般超过60m设置膨胀加强带；③提高钢筋混凝土的抗拉能力，混凝土应考虑增加抗变形钢筋，对于侧壁，增加水平温度筋，在混凝土面层起强化作用。

侧壁受底板和顶板的约束，混凝土胀缩不一致，可在墙体中部设一道水平暗梁抵抗拉力。

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。

5.外墙计算
a.荷载计算：地下室外墙受弯及受剪计算时，土压力引起的效应为永久荷载效应，可变荷载效应控制的组合时，土压力的荷载分项系数取1.2；永久荷载效应控制的组合时，其荷载分项系数取 1.35。

对于地面活荷载，同样应乘侧压力系数。

地下室底板的强度计算时，根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)(2006年版)第3.2.5条板、覆土的自重的荷载分项系数取1.0。

地下室外墙的土压力应为静止土压力，根据土性的不同分别采用不同的计算方法，粘性土采用水土合算，砂性土采用水土分算。

b.配筋计算：地下室外墙配筋计算：如果在工程外墙配筋计算中，凡外墙带扶壁柱的，不区别扶壁柱尺寸大小，一律按双向板计算配筋，而扶壁柱按地下室结构整体电算分析结果配筋，又不按外墙双向板传递荷载验算扶壁柱配筋。

按外墙与扶壁柱变形协调的原理，其外墙竖向受力筋配筋不足、扶壁柱配筋偏少、外墙的水平分布筋有富余量。

因此：除了垂直于外墙方向有钢筋混凝土内隔墙相连的外墙板块或外墙扶壁柱截面尺寸较大(如高层建筑外框架柱之间) 外墙板块按双向板计算配筋外，其余的外墙宜按竖向单向板计算配筋为妥。

竖向荷载(轴力)较小的外墙扶壁柱，其内外侧主筋也应予以适当加强。

外墙的水平分布筋要根据扶壁柱截面尺寸大小，可适当另配外侧附加短水平负筋予以加强，外墙转角处也同此予以适当加强。

c.裂缝计算：地下室外墙混凝土易出现收缩，受到结构本身和基坑边壁等的约束，产生较大的拉应力，直至出现收缩裂缝，地下室外墙裂缝宽度控制在0.2mm之内，其配筋量往往由裂缝宽度验算控制。

6.保护层和垫层厚度
《地下工程防水技术规范》(GB50108-2001)对防水混凝土结构规定：结构厚度不应小于250mm；裂缝宽度不得大于0.2mm，并不得贯通；迎水面钢筋保护层厚度不应小于50mm。

防水混凝土结构底板混凝土垫层，强度等级不应小于C15，厚度不小于100mm，在软弱土层中不应小于150mm。

工程实践表明如果结构厚度或迎水面钢筋保护层厚度小于规范限值常常是引起渗漏水现象的常见原因，因此规范修订以后对限值作了相应的提高，应引起注意。

结束语
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。