对高层建筑地下室结构设计的分析

摘要: 本文通过总结以往工程设计经验并参考相关的规范,对高层建筑地下室设计进行浅析,可以看出只有通过精心设计和多方案的计算比较,才能获得经济、合理、安全的设计成果。


1 地下室结构无缝设计
某小区由7栋塔式高层住宅楼组成,设有2层裙房、1层地下室车库及设备用房,战时作人防用途。由于地下室面积较很大,根据gb 50010-2002《混凝土结构设计规范》9.1.1条的规定,挡土墙、地下室墙壁类结构,现浇式或土中结构的伸缩缝最大间距应为30m,该大面积地下室应“切割”成多个“豆腐块”,变形缝(如图1)中的橡胶止水带老化问题不容忽视,一旦发生地下水渗漏就要大面积开凿地下室底板进行修补,还要防止地下水新的渗漏点形成,其施工难度是相当大的。
图1 变形缝构造示意图
因此,我们考虑采用地下室无缝设计来避免以上问题,根据gb50010-2002《混凝土结构设计规范》9.1.3条的相关规定,必须采取必要的措施并具备相关的工程经验才能使无缝地下室的设计完全可行。
本地下室采用设置后浇带的设计方案,具体措施如下(如图2):
图2地下室底板结构后浇带分布图
⑴设置膨胀后浇带:宽约2m,间距约80m,在混凝土施工完成14d后用提高一级强度的微膨胀混凝土浇捣密实；
⑵设置伸缩后浇带:宽约1m,间距30～40m,在混凝土施工完成60d后用提高一级强度的微膨胀混凝土浇捣密实；
⑶设置沉降后浇带:宽约1m,设置在高层塔楼与裙房之间的裙房第1跨内,在主楼混凝土结构顶层施工完毕后用提高一级强度的微膨胀混凝土浇捣密实。
混凝土可掺加uea-e低掺型复合膨胀剂,掺量按试配确定,可替代相应的水泥重量。后浇带两种做法(如图3)及应注意的问题如下:
⑴后浇带设置在梁(板)的跨中13部位,带内钢筋可连通,后浇混凝土,如图3a。该做法应自基础开始每层设置直至裙房顶层,如某种原因导致后浇带无法留设在梁跨中部位时,则应注意其对梁抗剪承载力的影响,必要时可在梁内该部位增设型钢以加强抗剪承载力。在应在施工图中要求施工方将后浇带两侧构件妥善支撑,并应注意由于留设后浇带可能引起的各部分结构承载力与稳定等问题。如图4设置后浇带后裙房挡土墙侧压力无法传递至高层主楼时,应采取措施避免可能出现的施工事故。

(a) 做法一（b）做法二
图 3后浇带设置示意图
图 4主、裙楼间后浇带设置示意图
⑵除后浇带留设位置及增设型钢做法外,其余做法均与上述做法相同,如图3b所示。该做法的优点是减少了支撑,对于安装机器设备及装修进度等方面影响较小。但应注意构件两端留缝对于抗剪承载力的影响,必要时采取补强措施。
2 地下室各部位设计
2.1 底板设计
⑴厚度计算
地下室底板形式一般有梁板式筏基和平板式筏基,墙下平板式筏基用于剪力墙结构,柱下平板式及梁板式筏基适用于框架或框架—剪力墙结构。梁板式筏基基础应满足斜截面受剪及正截面受弯承载力的要求,当基础与底板竖向构件混凝土强度级相差10mpa以上时,尚应验算局部受压承载力。
h0≥[ (1n1+1n2) - ( 1n1+1n2) 2- √4pj1n1 1n2 ( pj+0.6ft) ]/4⑴
当底板区格为单向板时,底板截面高度h0按下式计算:
h0≥pj1n1 /( pj+1.3ft ) ⑵
式中:pj为相当于荷载效应基本组合的基底平均净反力(kn/m2)；ln1、ln2分别计算板格的短边和长边的净长度；ft为混凝土抗拉强度设计值。平板式筏基应满足受冲切承载力及相应的构造要求,且板厚≥400mm,初步设计时h0可按下式计算:

式中:n为轴力设计值(kn)；(ac+bc)为柱端面周长的50%(m)；b按表1选取。
表1b的取值
混凝土等级 b
c20 1.07
c25 1.00
c30 0.94
c35 0.90
c40 0.86
c45 0.84
c50 0.82
⑵底板内力的简化计算方法
a.倒楼盖法:适用于地基较均匀、筏形基础和上部结构刚度大、柱轴力及柱距相差不大的情况；
b.静定法(截面法):适用于地基较均匀、筏形基础和上部结构刚度大、柱轴力及柱距相差大的情况；进行基础截面承载力设计时,宜根据具体情况(包括地基均匀程度)对上述方法的计算结果作出适当调整,也可参考两种计算结果的包络作适当调整。
⑶工程实例计算
某住宅小区由9栋塔楼组成,下部设3层裙房作为商场,1层地下室作为停车场及设备用房。柱距8m×8m,柱截面600×600,地下水位距底板底3.4m。底板恒载为底板(厚400mm)0.4×25=10kn/m2,垫层(厚300mm)0.3×20=6kn/m2；活载2.5kn/m2；地下水浮力3.4×10=34kn/m2,不与活载组合。
a.梁板式筏基:梁截面500×900,板厚400mm,采用pkpm软件计算梁配筋率约1.3%,板配筋为双层双向φ14@150；
b.无梁式筏基:板厚400mm,采用理正结构计算软件得出柱上板带配筋φ18@120,跨中板带配筋为φ14@160。
计算结果表明,单层地下室在地下水位约3m或以下采用平板式筏基,综合考虑基础梁施工因素,其经济性应优于梁板式筏基。另外,当板底下土性质相对较好,地基承载力特征值≥100kpa时,可考虑底板荷载由地基土承担,底板只作抗浮板考虑。
2.2 顶板设计
⑴顶板荷载
高层及多层地下室顶板(±0.00)处施工活荷载考虑高层主楼施工材料堆放及机械设备荷载,宜按10kn/m2计算。此时恒荷载仅考虑楼板自重(面层及管道安装荷载不参与组合),并应把此时的荷载组合与使用荷载组合取不利值进行设计。
⑵顶板结构形式
常用的顶板结构形式有梁板式楼盖、无梁楼盖、空心板式楼盖等,其中梁板式楼盖在地下室顶板覆土厚度允许时可做成局部上反梁,在顶板处(梁中部)预留过水管及各种管线穿管,其优势是可明显增大地下室的净空,局部上反梁可做成经济性较好的截面(不需做成宽扁梁),缺点是施工难度和费用都较大。
a.荷载组合条件(1)
均布荷载:钢筋混凝土板厚180mm,0.18×25=4.5kn/m2；水泥砂浆面层厚20mm,0.02×20=0.4kn/m2；板底抹灰层厚20mm,0.02×17=0.34kn/m2；管线安装0.5kn/m2；二次装修0.65kn/m2。总计6.39kn/m2,恒载分项系数1.2,均布活载(1层商场)3.5kn/m2,活载分项系数1.4,故荷载设计值为1.2×6.39+1.4×2.5=11.17kn/m2。
b.荷载组合条件(2)
均布荷载:钢筋混凝土板厚180mm,0.18×25=4.5kn/m2；恒载分项系数1.2,均布活载(施工荷载)10.0kn/m2,活载分项系数1.4,0荷载设计值为1.2×4.5+1.4×10.0=19.4kn/m2。

c.配筋条件
混凝土等级为c30,纵筋级别为hrb335,配筋调整系数1.0,保护层厚度25mm。截面尺寸为:梁板式顶板主梁300×750,次梁250×600,板厚180mm,无梁楼盖式顶板厚350mm。经计算,梁板式顶板配筋率为主梁1.3%～1.5%,次梁约1.2%,楼板双层双向配筋φ14@150。无梁楼盖式顶板配筋为柱上板带φ18@140,跨中板带φ14@200。
2.3 侧墙设计
地下室外墙外侧应考虑土压力及水压力作用,其中水压力按可能出现的最高水位计算,土压力则按外墙能否产生位移,墙本身刚度、受楼板和侧墙分隔约束等情况,可采用静止土压力、主动土压力、或(静止土压力+主动土压力)2。当基坑支护采用悬臂桩或外锚桩支护时,地下室的土压力可适当折减。
⑴墙体计算简图如图5,通常地下室整体刚度较大,为偏于安全,可不考虑侧移,侧土压力系数取值见表2。
表2 一般地下室的侧土压力系数
土的种类和状态 k0
碎土石 0.18～0.25
砂石 0.25～0.33
粉土 0.33～0.43
粉质粘土 坚硬 0.33
可塑 0.43
流塑及软塑 0.53
粘土 坚硬 0.33
可塑 0.53
流塑及软塑 0.57
⑵土压力及水压力计算
地下水位处土压力w土=p1=gh1k0；深度h处土侧压力w土=p2=(gh1+gh2)k0；地下水位处水压力w水=p3=gwh2；地面荷载产生的侧壁压力w=p4=ghk0(式中k0为静止土压力系数,k/nm3；g为土的天然重度,kn/m3；g′为土的浮重度,kn/m3,g′=gsat-gw；gw为水的重度,gw=10kn/m3；gsat为土的饱和重度(kn/m3)。
⑶地下室侧壁竖向裂缝控制措施:①适当设置后浇带,一般间距15～20m设1道,宽约1m；②侧壁钢筋宜采用小直径钢筋,间距应小于150mm；③采用低水化热混凝土浇注；④注意混凝土浇注后的回填与养护。
3 结束语
总之，在高层建筑地下室结构设计中，地下室超长是结构设计的一个难点，在地下室其他部位的设计中应不断研究和进行方案比较，在可能的情况下做出较优的技术方案才能实现安全、适用、经济等综合目标。