地下室结构设计
2013-9-8 2:35:02 点击：
随着人们对地下空间需求的不断增长,地下工程在整个建设项目中所占的比重还会越来越大。由于地下工程材料消耗大、建造周期长、施工难度大,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。所以，每个设计人员都应重视地下室的结构设计问题，力求为项目取得最大经济利益。以下就地下室结构设计中的部分设计要点展开讨论。
二、地下室结构设计要点
1、抗浮设计
对于具有大底盘地下室的高层建筑群体而言,塔楼部分一般在使用阶段不会存在抗浮问题,但裙房及纯地下室部分经常会有抗浮不满足要求。所以，地下室抗浮设计是设计方案中不可少的环节。在设计地下室的抗浮前，要先确定科学合理的抗浮设防水位，才能根据实际情况设计抗浮。而地下室抗浮设计主要有以下几种方法：
（1）在建筑允许的情况下,尽可能提高基坑坑底的设计标高,间接降低抗浮设防水位。
① 采用平板式筏板基础。平板式筏板基础的重量与“低板位”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。
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1/16～1/22 ,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。
（2）增加地下室的重量
增加地下室本身的重量有以下的优点:① 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；② 在对主体结构的地基承载力进行深度修正时,增加地下室的重量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。
而采取增加地下室重量的方法来解决抗浮问题的方法有:
① 增加基础配重。这方法大致有以下几种情况:a.增加基础底板的厚度；b.增加基础顶面覆土厚度；c.基础顶面采用重度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。
② 增加地下室顶板的厚度。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,既有利于其他专业的使用,又简化了施工工序；但此种方法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有限。
（3）设置抗浮桩
但这种抗浮方法有一定的弊端。“抗浮桩”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,而这种变化将会使不设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。
2、抗震设计
在地下室设计中，若设计不当，将对其整体的抗震性能会产生很大的影响。而一般的抗震等级要求有：（1）地下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没有上部结构的部分，抗震等级可以采用三级或更低；对超出上部主体部分地下室，可根据具体情况采用三级或四级；（2）地下室有一侧或二侧开敞：在满足规范刚度及构造要求时，仍可按嵌固考虑，但由于土的约束作用减小，所以地下各层抗震等级均取与上部结构相同。
（3）半地下室：半地下室指覆土深度在地下一层层高一半的位置。在顶板满足嵌固条件时， 地下一层抗震等级同上部结构，地下二层可比地下一层减一级考虑。半地下室的埋深地下室外地面以上的高度时，不计其层数，即可仍然当做地下室处理；（4）地下一层以下楼层抗震等级，7度不宜低于四级、8度不宜低于三级、9度不宜低于二级；对于乙类建筑，6度不宜低于四级、7度不宜低于三级、8度不宜低于二级。
同时，在进行地下室的抗震设计时，要考虑其与建筑物嵌固方式：
（1）顶板嵌固时，先采用底部剪力法计算地下室结构水平地震作用及结构构件内力，设计时应注意：① 抗震墙底部加强部位的高度应从地下室顶板算起,部分框支抗震墙结构位于地下室内的框支层不计入规范允许框支层数之内；② 与地上一层相连的地下室各层抗震墙的截面尺寸和边缘构件的纵向钢筋配筋率不应小于地上一层对应的抗震墙；若地下一层抗震墙的截面尺寸和边缘构件的纵向钢筋配筋率大于地上一层对应的抗震墙时,地下二层及以下各层抗震墙的截面尺寸和边缘构件的纵向钢筋配筋率不应小于地下一层对应的抗震墙。
（2）基础顶部嵌固时：① 不考虑地下室结构水平地震作用降低系数；② 地下室结构抗震等级宜按地上结构抗震等级取，地下室内的墙柱截面尺寸、混凝土强度等级及配筋构造不宜低于上部结构相应构件的要求。③ 抗震墙底部加强部位的高度应从基础顶部算起,对框架― 抗震墙结构、抗震墙结构和筒体结构尚宜高出地下室顶板不少于2层,对部分框支抗震墙结构尚宜高出框支层不少于2层(如图1所示)；主体结构周边有相连裙房且裙房为抗震墙结构时,宜高出裙房一层。
图1基础顶部嵌固时抗震墙底部加强部分的高度
3、结构抗震设计中的静力弹塑性分析
地下结构静力弹塑性分析方法的实施步骤如下：
（1）建立自由场模型, 给定土体材料参数, 进行输入地震波作用下的一维土层地震反应分析。
（2）在完成一维土层地震反应分析后, 采用水平等效惯性加速度求解法来得到自由场土体沿深度分布的水平等效惯性加速度。其中，水平等效惯性加速度的求解法有：① 采用在输入地震波作用下, 自由场每层土体加速度峰值的绝对值；② 考虑土体处于最大变形的情况, 此时土体处于最大应变状态, 因而每层土均处于最大剪应力状态。首先利用一维土层地震反应分析软件计算各土层(土单元)的剪应力幅值, 然后根据图1确定土单元的水平惯性加速度。图1中τi-1 与τi分别表示第i层土单元顶部与底部的最大剪应力, 虚线表示侧向剪应力；ρi、hi 与αi 分别表示该土单元的密度、厚度与水平等效惯性加速度；当i=1时,τ0=0, 表示自由地面。根据图1, 第i层土的水平等效惯性加速度可以表示为:
a1=τi-τi-1/ρihi
图1水平等效惯性加速度求解法二
（3）建立土-结构体系有限元模型, 在模型底部采用固定边界, 两侧边界节点在竖直向约束, 水平向自由；按照土层所在位置逐步施加上述计算得出的沿深度分布的水平惯性加速度, 模型中结构部分也按照所在土层深度位置作用水平等效惯性加速度, 然后按照静力有限元方法进行求解。
而在实际工程中，地震动的方向是不确定的, 在正反方向都有可能发生, 因此从理论上讲,对于任何结构都应该分别进行正反双向地震波单独作用下的地震反应分析。但对于对称结构来说, 在正反双向地震波单独作用时其受力也是对称的, 因此只需要进行单向地震动作用下的计算。对于非对称地下结构, 同一构件在两种情况下的峰值内力是不同的；并且对于尺度较大、单元数较多的土-结构相互作用分析模型,无法确定哪一方向的输入地震波更不利。因此对于非对称地下结构, 采用静力弹塑性分析方法进行抗震分析时应该考虑分别在正反两个方向上施加水平等效惯性加速度, 取两种情况中较大者作为分析结果。
4、荷载计算
（1）竖向荷载有上部及各层地下室顶板传来的荷载和外墙自重；水平荷载有室外地坪活荷载、侧向土压力、地下水压力、人防等效静荷载。
（2）室外地坪活荷载：一般民用建筑的室外地面，活荷载可取5kN/m2。有特殊较重荷载时，按实际情况确定。
（3）水压力：水位高度可按最近3～5年的最高水位确定，不包括上层滞水。
（4）土压力：a. 当地下室采用大开挖方式，无护坡桩或连续墙支护时，地下室外墙承受的土压力宜取静止土压力，土压力系数K0，对一般固结土可取K0=1-sinφ(φ为土的有效内摩擦角)，一般情况可取0.5。 地下水位以下土的容重，可近似取11kN/m2。
实际上，风荷载和地震区地面运动使土压力超过静态土压力而有所增加，但其对外墙平面外产生的内力较小，可以不予考虑。
（5）风荷载：地下室在底面以下，不受风荷载的影响；如果地下室层数不填0，表示有地下室，程序自动取地下室部分的基本风压为0，并从上部结构风荷载中自动扣除地下室部分的高度。
5、基础形式的选取及计算分析方法
现代高层建筑大都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,有必要根据不同的上部结构形式、上部结构荷载大小、地基的承载力及压缩模量等问题,因地制宜地采用不同的基础形式。而一般常用的基础形式有:筏板基础、箱型基础、桩筏和桩箱基础等。
（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。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,底板标高变化较多时宜采用平板式筏板基础。
（2）梁高、板厚的选取及计算方法
目前计算筏板基础时,常用的方法有“倒楼盖”方法、弹性地基梁板方法和有限元分析方法,其中“倒楼盖”方法是一种传统方法,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。基础内力按基底反力直线分布进行计算时,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。
（3）基础底板抗冲切验算及抗剪切计算
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。当有条件时设置上翻式柱帽,没条件时设置下翻式柱帽。设置柱帽有以下优点:a.解决底板抗冲切问题；b.减小底板的计算跨度；c.减小支座负筋。
四、结束语
地下室结构设计是一个综合性很强问题,涉及到的内容繁多而复杂。在设计时，应充分考虑各个方面的平面结构配置效果，并根据有关规范和实际情况，把握设计要点，进一步提高地下室空间结构设计的水平，为项目及企业创造最大的经济效益。
二、地下室结构设计要点
1、抗浮设计
对于具有大底盘地下室的高层建筑群体而言,塔楼部分一般在使用阶段不会存在抗浮问题,但裙房及纯地下室部分经常会有抗浮不满足要求。所以，地下室抗浮设计是设计方案中不可少的环节。在设计地下室的抗浮前，要先确定科学合理的抗浮设防水位，才能根据实际情况设计抗浮。而地下室抗浮设计主要有以下几种方法：
（1）在建筑允许的情况下,尽可能提高基坑坑底的设计标高,间接降低抗浮设防水位。
① 采用平板式筏板基础。平板式筏板基础的重量与“低板位”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。
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1/16～1/22 ,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。
（2）增加地下室的重量
增加地下室本身的重量有以下的优点:① 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；② 在对主体结构的地基承载力进行深度修正时,增加地下室的重量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。
而采取增加地下室重量的方法来解决抗浮问题的方法有:
① 增加基础配重。这方法大致有以下几种情况:a.增加基础底板的厚度；b.增加基础顶面覆土厚度；c.基础顶面采用重度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。
② 增加地下室顶板的厚度。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,既有利于其他专业的使用,又简化了施工工序；但此种方法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有限。
（3）设置抗浮桩
但这种抗浮方法有一定的弊端。“抗浮桩”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,而这种变化将会使不设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。
2、抗震设计
在地下室设计中，若设计不当，将对其整体的抗震性能会产生很大的影响。而一般的抗震等级要求有：（1）地下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没有上部结构的部分，抗震等级可以采用三级或更低；对超出上部主体部分地下室，可根据具体情况采用三级或四级；（2）地下室有一侧或二侧开敞：在满足规范刚度及构造要求时，仍可按嵌固考虑，但由于土的约束作用减小，所以地下各层抗震等级均取与上部结构相同。
（3）半地下室：半地下室指覆土深度在地下一层层高一半的位置。在顶板满足嵌固条件时， 地下一层抗震等级同上部结构，地下二层可比地下一层减一级考虑。半地下室的埋深地下室外地面以上的高度时，不计其层数，即可仍然当做地下室处理；（4）地下一层以下楼层抗震等级，7度不宜低于四级、8度不宜低于三级、9度不宜低于二级；对于乙类建筑，6度不宜低于四级、7度不宜低于三级、8度不宜低于二级。
同时，在进行地下室的抗震设计时，要考虑其与建筑物嵌固方式：
（1）顶板嵌固时，先采用底部剪力法计算地下室结构水平地震作用及结构构件内力，设计时应注意：① 抗震墙底部加强部位的高度应从地下室顶板算起,部分框支抗震墙结构位于地下室内的框支层不计入规范允许框支层数之内；② 与地上一层相连的地下室各层抗震墙的截面尺寸和边缘构件的纵向钢筋配筋率不应小于地上一层对应的抗震墙；若地下一层抗震墙的截面尺寸和边缘构件的纵向钢筋配筋率大于地上一层对应的抗震墙时,地下二层及以下各层抗震墙的截面尺寸和边缘构件的纵向钢筋配筋率不应小于地下一层对应的抗震墙。
（2）基础顶部嵌固时：① 不考虑地下室结构水平地震作用降低系数；② 地下室结构抗震等级宜按地上结构抗震等级取，地下室内的墙柱截面尺寸、混凝土强度等级及配筋构造不宜低于上部结构相应构件的要求。③ 抗震墙底部加强部位的高度应从基础顶部算起,对框架― 抗震墙结构、抗震墙结构和筒体结构尚宜高出地下室顶板不少于2层,对部分框支抗震墙结构尚宜高出框支层不少于2层(如图1所示)；主体结构周边有相连裙房且裙房为抗震墙结构时,宜高出裙房一层。
图1基础顶部嵌固时抗震墙底部加强部分的高度
3、结构抗震设计中的静力弹塑性分析
地下结构静力弹塑性分析方法的实施步骤如下：
（1）建立自由场模型, 给定土体材料参数, 进行输入地震波作用下的一维土层地震反应分析。
（2）在完成一维土层地震反应分析后, 采用水平等效惯性加速度求解法来得到自由场土体沿深度分布的水平等效惯性加速度。其中，水平等效惯性加速度的求解法有：① 采用在输入地震波作用下, 自由场每层土体加速度峰值的绝对值；② 考虑土体处于最大变形的情况, 此时土体处于最大应变状态, 因而每层土均处于最大剪应力状态。首先利用一维土层地震反应分析软件计算各土层(土单元)的剪应力幅值, 然后根据图1确定土单元的水平惯性加速度。图1中τi-1 与τi分别表示第i层土单元顶部与底部的最大剪应力, 虚线表示侧向剪应力；ρi、hi 与αi 分别表示该土单元的密度、厚度与水平等效惯性加速度；当i=1时,τ0=0, 表示自由地面。根据图1, 第i层土的水平等效惯性加速度可以表示为:
a1=τi-τi-1/ρihi
图1水平等效惯性加速度求解法二
（3）建立土-结构体系有限元模型, 在模型底部采用固定边界, 两侧边界节点在竖直向约束, 水平向自由；按照土层所在位置逐步施加上述计算得出的沿深度分布的水平惯性加速度, 模型中结构部分也按照所在土层深度位置作用水平等效惯性加速度, 然后按照静力有限元方法进行求解。
而在实际工程中，地震动的方向是不确定的, 在正反方向都有可能发生, 因此从理论上讲,对于任何结构都应该分别进行正反双向地震波单独作用下的地震反应分析。但对于对称结构来说, 在正反双向地震波单独作用时其受力也是对称的, 因此只需要进行单向地震动作用下的计算。对于非对称地下结构, 同一构件在两种情况下的峰值内力是不同的；并且对于尺度较大、单元数较多的土-结构相互作用分析模型,无法确定哪一方向的输入地震波更不利。因此对于非对称地下结构, 采用静力弹塑性分析方法进行抗震分析时应该考虑分别在正反两个方向上施加水平等效惯性加速度, 取两种情况中较大者作为分析结果。
4、荷载计算
（1）竖向荷载有上部及各层地下室顶板传来的荷载和外墙自重；水平荷载有室外地坪活荷载、侧向土压力、地下水压力、人防等效静荷载。
（2）室外地坪活荷载：一般民用建筑的室外地面，活荷载可取5kN/m2。有特殊较重荷载时，按实际情况确定。
（3）水压力：水位高度可按最近3～5年的最高水位确定，不包括上层滞水。
（4）土压力：a. 当地下室采用大开挖方式，无护坡桩或连续墙支护时，地下室外墙承受的土压力宜取静止土压力，土压力系数K0，对一般固结土可取K0=1-sinφ(φ为土的有效内摩擦角)，一般情况可取0.5。 地下水位以下土的容重，可近似取11kN/m2。
实际上，风荷载和地震区地面运动使土压力超过静态土压力而有所增加，但其对外墙平面外产生的内力较小，可以不予考虑。
（5）风荷载：地下室在底面以下，不受风荷载的影响；如果地下室层数不填0，表示有地下室，程序自动取地下室部分的基本风压为0，并从上部结构风荷载中自动扣除地下室部分的高度。
5、基础形式的选取及计算分析方法
现代高层建筑大都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,有必要根据不同的上部结构形式、上部结构荷载大小、地基的承载力及压缩模量等问题,因地制宜地采用不同的基础形式。而一般常用的基础形式有:筏板基础、箱型基础、桩筏和桩箱基础等。
（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。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,底板标高变化较多时宜采用平板式筏板基础。
（2）梁高、板厚的选取及计算方法
目前计算筏板基础时,常用的方法有“倒楼盖”方法、弹性地基梁板方法和有限元分析方法,其中“倒楼盖”方法是一种传统方法,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。基础内力按基底反力直线分布进行计算时,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。
（3）基础底板抗冲切验算及抗剪切计算
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。当有条件时设置上翻式柱帽,没条件时设置下翻式柱帽。设置柱帽有以下优点:a.解决底板抗冲切问题；b.减小底板的计算跨度；c.减小支座负筋。
四、结束语
地下室结构设计是一个综合性很强问题,涉及到的内容繁多而复杂。在设计时，应充分考虑各个方面的平面结构配置效果，并根据有关规范和实际情况，把握设计要点，进一步提高地下室空间结构设计的水平，为项目及企业创造最大的经济效益。
