摘要：隨著高層建筑的發展及人們生活水平的提高，地下室功能越顯重要。本文主要從抗浮設計、抗震設計、抗震設計中的靜力彈塑性分析、荷載計算、基礎形式的選取及計算分析方法幾個方面闡述地下室結構設計的要點。

　　關鍵詞：地下室,結構設計,抗浮,抗震,荷載

　　一、前言

　　隨著人們對地下空間需求的不斷增長,地下工程在整個建設項目中所占的比重還會越來越大。由于地下工程材料消耗大、建造周期長、施工難度大,結構設計的好壞將會對整個項目的設計周期、施工工期以及建造費用產生巨大的影響。所以，每個設計人員都應重視地下室的結構設計問題，力求為項目取得最大經濟利益。以下就地下室結構設計中的部分設計要點展開討論。

　　二、地下室結構設計要點

　　1、抗浮設計

　　對于具有大底盤地下室的高層建筑群體而言,塔樓部分一般在使用階段不會存在抗浮問題,但裙房及純地下室部分經常會有抗浮不滿足要求。所以，地下室抗浮設計是設計方案中不可少的環節。在設計地下室的抗浮前，要先確定科學合理的抗浮設防水位，才能根據實際情況設計抗浮。而地下室抗浮設計主要有以下幾種方法：

　　(1)在建筑允許的情況下,盡可能提高基坑坑底的設計標高,間接降低抗浮設防水位。

　　① 采用平板式筏板基礎。平板式筏板基礎的重量與“低板位”梁板式筏板基礎上填覆土的重量基本相當,但后者的基礎高度一般要比前者高。

　　② 樓蓋提倡使用寬扁梁或無梁樓蓋。一般寬扁梁的截面高度為跨度的1/16～1/22 ,寬扁梁的使用將有效地降低地下結構的層高,從而相對降低了抗浮設防水位。

　　(2)增加地下室的重量

　　增加地下室本身的重量有以下的優點:① 增加地下室的重量是解決地下室抗浮問題的一個直接有效的方法,但這種方法還應該結合地基土的承載力而定;② 在對主體結構的地基承載力進行深度修正時,增加地下室的重量可以提高主體結構的有效埋置深度,從而提高了主體結構修正后的地基承載力特征值。

　　而采取增加地下室重量的方法來解決抗浮問題的方法有:

　　① 增加基礎配重。這方法大致有以下幾種情況:a.增加基礎底板的厚度;b.增加基礎頂面覆土厚度;c.基礎頂面采用重度大且價格低廉的填料。這三種方法的共同特點是:在增加基礎配重用以解決抗浮問題的同時又不可避免的增加了基礎的埋置深度,從而相對地提高了地下室抗浮設防水位的高度。

　　② 增加地下室頂板的厚度。在不增加基坑坑底標高的前提下,增加了地下室的重量,而且使用厚板后,地下室頂板的大板塊之間可以不再設置次梁,既有利于其他專業的使用,又簡化了施工工序;但此種方法會略增加地下室頂板框架梁的負荷,而且由于板厚有限,這種方法解決抗浮問題的效果也有限。

　　(3)設置抗浮樁

　　但這種抗浮方法有一定的弊端。“抗浮樁”長期起著“抗壓樁”的作用,這種“反作用”將阻礙有抗浮要求的地下室的合理沉降,而這種變化將會使不設縫的大底盤地下室在主體結構和裙房之間產生更大的不均勻沉降差;同時設置抗浮樁后,計算基礎底板內力及配筋時應考慮地下水壓力,這樣也會增加基礎底板的荷載。

　　2、抗震設計

　　在地下室設計中，若設計不當，將對其整體的抗震性能會產生很大的影響。而一般的抗震等級要求有：(1)地下一層的抗震等級與上部結構相同，地下室一層以下樓層或地下室沒有上部結構的部分，抗震等級可以采用三級或更低;對超出上部主體部分地下室，可根據具體情況采用三級或四級;(2)地下室有一側或二側開敞：在滿足規范剛度及構造要求時，仍可按嵌固考慮，但由于土的約束作用減小，所以地下各層抗震等級均取與上部結構相同。

　　(3)半地下室：半地下室指覆土深度在地下一層層高一半的位置。在頂板滿足嵌固條件時， 地下一層抗震等級同上部結構，地下二層可比地下一層減一級考慮。半地下室的埋深地下室外地面以上的高度時，不計其層數，即可仍然當做地下室處理;(4)地下一層以下樓層抗震等級，7度不宜低于四級、8度不宜低于三級、9度不宜低于二級;對于乙類建筑，6度不宜低于四級、7度不宜低于三級、8度不宜低于二級。

　　同時，在進行地下室的抗震設計時，要考慮其與建筑物嵌固方式：

　　(1)頂板嵌固時，先采用底部剪力法計算地下室結構水平地震作用及結構構件內力，設計時應注意：① 抗震墻底部加強部位的高度應從地下室頂板算起,部分框支抗震墻結構位于地下室內的框支層不計入規范允許框支層數之內;② 與地上一層相連的地下室各層抗震墻的截面尺寸和邊緣構件的縱向鋼筋配筋率不應小于地上一層對應的抗震墻;若地下一層抗震墻的截面尺寸和邊緣構件的縱向鋼筋配筋率大于地上一層對應的抗震墻時,地下二層及以下各層抗震墻的截面尺寸和邊緣構件的縱向鋼筋配筋率不應小于地下一層對應的抗震墻。

　　(2)基礎頂部嵌固時：① 不考慮地下室結構水平地震作用降低系數;② 地下室結構抗震等級宜按地上結構抗震等級取，地下室內的墻柱截面尺寸、混凝土強度等級及配筋構造不宜低于上部結構相應構件的要求。③ 抗震墻底部加強部位的高度應從基礎頂部算起,對框架— 抗震墻結構、抗震墻結構和筒體結構尚宜高出地下室頂板不少于2層,對部分框支抗震墻結構尚宜高出框支層不少于2層(如圖1所示);主體結構周邊有相連裙房且裙房為抗震墻結構時,宜高出裙房一層。

　　3、結構抗震設計中的靜力彈塑性分析

　　地下結構靜力彈塑性分析方法的實施步驟如下：

　　(1)建立自由場模型, 給定土體材料參數, 進行輸入地震波作用下的一維土層地震反應分析。

　　(2)在完成一維土層地震反應分析后, 采用水平等效慣性加速度求解法來得到自由場土體沿深度分布的水平等效慣性加速度。其中，水平等效慣性加速度的求解法有：① 采用在輸入地震波作用下, 自由場每層土體加速度峰值的絕對值;② 考慮土體處于最大變形的情況, 此時土體處于最大應變狀態, 因而每層土均處于最大剪應力狀態。首先利用一維土層地震反應分析軟件計算各土層(土單元)的剪應力幅值, 然后根據圖1確定土單元的水平慣性加速度。圖1中τi-1 與τi分別表示第i層土單元頂部與底部的最大剪應力, 虛線表示側向剪應力;ρi、hi 與αi 分別表示該土單元的密度、厚度與水平等效慣性加速度;當i=1時,τ0=0, 表示自由地面。根據圖1, 第i層土的水平等效慣性加速度可以表示為:

　　(3)建立土-結構體系有限元模型, 在模型底部采用固定邊界, 兩側邊界節點在豎直向約束, 水平向自由;按照土層所在位置逐步施加上述計算得出的沿深度分布的水平慣性加速度, 模型中結構部分也按照所在土層深度位置作用水平等效慣性加速度, 然后按照靜力有限元方法進行求解。

　　而在實際工程中，地震動的方向是不確定的, 在正反方向都有可能發生, 因此從理論上講,對于任何結構都應該分別進行正反雙向地震波單獨作用下的地震反應分析。但對于對稱結構來說, 在正反雙向地震波單獨作用時其受力也是對稱的, 因此只需要進行單向地震動作用下的計算。對于非對稱地下結構, 同一構件在兩種情況下的峰值內力是不同的;并且對于尺度較大、單元數較多的土-結構相互作用分析模型,無法確定哪一方向的輸入地震波更不利。因此對于非對稱地下結構, 采用靜力彈塑性分析方法進行抗震分析時應該考慮分別在正反兩個方向上施加水平等效慣性加速度, 取兩種情況中較大者作為分析結果。

　　4、荷載計算

　　(1)豎向荷載有上部及各層地下室頂板傳來的荷載和外墻自重;水平荷載有室外地坪活荷載、側向土壓力、地下水壓力、人防等效靜荷載。

　　(2)室外地坪活荷載：一般民用建筑的室外地面，活荷載可取5kN/m2。有特殊較重荷載時，按實際情況確定。

　　(3)水壓力：水位高度可按最近3～5年的最高水位確定，不包括上層滯水。

　　(4)土壓力：a. 當地下室采用大開挖方式，無護坡樁或連續墻支護時，地下室外墻承受的土壓力宜取靜止土壓力，土壓力系數K0，對一般固結土可取K0=1-sinφ(φ為土的有效內摩擦角)，一般情況可取0.5。 地下水位以下土的容重，可近似取11kN/m2。

　　實際上，風荷載和地震區地面運動使土壓力超過靜態土壓力而有所增加，但其對外墻平面外產生的內力較小，可以不予考慮。

　　(5)風荷載：地下室在底面以下，不受風荷載的影響;如果地下室層數不填0，表示有地下室，程序自動取地下室部分的基本風壓為0，并從上部結構風荷載中自動扣除地下室部分的高度。

　　5、基礎形式的選取及計算分析方法

　　現代高層建筑大都為大底盤多塔樓式建筑群,由于上部結構荷載差異巨大,導致基底反力相差很大,因此,對基礎而言,有必要根據不同的上部結構形式、上部結構荷載大小、地基的承載力及壓縮模量等問題,因地制宜地采用不同的基礎形式。而一般常用的基礎形式有:筏板基礎、箱型基礎、樁筏和樁箱基礎等。

　　(1)平板式筏板基礎和梁板式筏板基礎的適用范圍

　　相鄰柱間距及柱荷載差別較小時適用平板式筏板基礎,反之則宜采用梁板式筏板基礎。通常,在材料用量相當的情況下,梁板式筏板基礎的剛度較平板式筏板基礎大,底板標高變化較多時宜采用平板式筏板基礎。

　　(2)梁高、板厚的選取及計算方法

　　目前計算筏板基礎時,常用的方法有“倒樓蓋”方法、彈性地基梁板方法和有限元分析方法,其中“倒樓蓋”方法是一種傳統方法,按該法進行基礎設計時,基礎內力按基底反力直線分布進行計算。基礎內力按基底反力直線分布進行計算時,要求地基土比較均勻、上部結構剛度較好、荷載分布比較均勻、梁板式筏板基礎梁的高跨比或平板式筏板基礎的厚跨比不小于1/6 ,當不滿足上述要求時應按彈性地基梁板計算。

　　(3)基礎底板抗沖切驗算及抗剪切計算

　　梁板式筏基底板應滿足受沖切承載力和受剪切承載力的要求,通過對跨度從6～10m、長寬比從1～3、板厚從400～1000mm 變化的梁板式筏基底板的計算來看,梁板式筏基底板都是受沖切承載力起控制作用,因此一般的梁板式筏基底板可以不進行底板受剪切承載力的驗算。對于平板式筏基而言,底板的柱下及核心筒邊的抗沖切驗算則必不可少,且應考慮不平衡彎矩的作用,尤其是邊柱和角柱。

　　(4)采用平板式筏板基礎時,宜設置平面尺寸較大的柱帽。當有條件時設置上翻式柱帽,沒條件時設置下翻式柱帽。設置柱帽有以下優點:a.解決底板抗沖切問題;b.減小底板的計算跨度;c.減小支座負筋。

　　四、結束語

　　地下室結構設計是一個綜合性很強問題,涉及到的內容繁多而復雜。在設計時，應充分考慮各個方面的平面結構配置效果，并根據有關規范和實際情況，把握設計要點，進一步提高地下室空間結構設計的水平，為項目及企業創造最大的經濟效益。

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