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浅谈高层建筑地下室结构设计 【摘要】震害调查表明，有地下室的高层建筑的破坏比较轻，而且有地下室对提高地基的承载力有利，对结构抗倾覆有利。另外，现代高层建筑设置地下室也往往是建筑功能所要求的。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，从五个方面展开叙述，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 引言 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12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。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。 一、抗浮问题 当抗浮设计水位较高，裙房满堂地下室或地下车库需要采取抗浮措施时，应按工程具体情况区别对待，采取合理的抗浮措施： 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1/221/16，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。高层建筑与裙房之间不设缝时，由于高层建筑基础底面的附加应力很大，常导致高层的沉降量较大，而裙房则多为超补偿基础或基地附加应力很小的补偿基础，裙房的沉降量值很小，如果因为抗浮设计需要而将裙房部分设置抗浮桩时，由于抗浮桩的支撑作用，裙房的沉降将受到很大的限值，反而会加大高层与裙房之间的沉降差。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。 二、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，工程中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。 三、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4060m。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4060m时宜设置一道伸缩后浇带，普通的伸缩后浇带宽度约为8001000mm，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。 四、基础型式的选取及计算分析方法 高层建筑基础设计比一般建筑基础设计要更复杂，它具有荷载大、埋置深度、及要求严的特点，在选择基础形式时与建筑物的使用性质、上部结构类型、地质情况、抗震性能、对周围建筑物的影响及施工条件等有密切关系。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。在工程中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（GB500072011）（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610m、长宽比从13、板厚从4001000mm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。 结束语 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