對(duì)高層建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析

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摘要: 本文通過總結(jié)以往工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并參考相關(guān)的規(guī)范,對(duì)高層建筑地下室設(shè)計(jì)進(jìn)行淺析,可以看出只有通過精心設(shè)計(jì)和多方案的計(jì)算比較,才能獲得經(jīng)濟(jì)、合理、安全的設(shè)計(jì)成果。 

關(guān)鍵詞:高層建筑；地下室；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)分析  1 地下室結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)  某小區(qū)由7棟塔式高層住宅樓組成,設(shè)有2層裙房、1層地下室車庫及設(shè)備用房,戰(zhàn)時(shí)作人防用途。由于地下室面積較很大,根據(jù)gb 50010-2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》9.1.1條的規(guī)定,擋土墻、地下室墻壁類結(jié)構(gòu),現(xiàn)澆式或土中結(jié)構(gòu)的伸縮縫最大間距應(yīng)為30m,該大面積地下室應(yīng)“切割”成多個(gè)“豆腐塊”,變形縫(如圖1)中的橡膠止水帶老化問題不容忽視,一旦發(fā)生地下水滲漏就要大面積開鑿地下室底板進(jìn)行修補(bǔ),還要防止地下水新的滲漏點(diǎn)形成,其施工難度是相當(dāng)大的。  圖1 變形縫構(gòu)造示意圖  因此,我們考慮采用地下室無縫設(shè)計(jì)來避免以上問題,根據(jù)gb50010-2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》9.1.3條的相關(guān)規(guī)定,必須采取必要的措施并具備相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)才能使無縫地下室的設(shè)計(jì)完全可行。  本地下室采用設(shè)置后澆帶的設(shè)計(jì)方案,具體措施如下(如圖2):  圖2地下室底板結(jié)構(gòu)后澆帶分布圖  ⑴設(shè)置膨脹后澆帶:寬約2m,間距約80m,在混凝土施工完成14d后用提高一級(jí)強(qiáng)度的微膨脹混凝土澆搗密實(shí)；  ⑵設(shè)置伸縮后澆帶:寬約1m,間距30～40m,在混凝土施工完成60d后用提高一級(jí)強(qiáng)度的微膨脹混凝土澆搗密實(shí)；  ⑶設(shè)置沉降后澆帶:寬約1m,設(shè)置在高層塔樓與裙房之間的裙房第1跨內(nèi),在主樓混凝土結(jié)構(gòu)頂層施工完畢后用提高一級(jí)強(qiáng)度的微膨脹混凝土澆搗密實(shí)。  混凝土可摻加uea-e低摻型復(fù)合膨脹劑,摻量按試配確定,可替代相應(yīng)的水泥重量。后澆帶兩種做法(如圖3)及應(yīng)注意的問題如下:  ⑴后澆帶設(shè)置在梁(板)的跨中13部位,帶內(nèi)鋼筋可連通,后澆混凝土,如圖3a。該做法應(yīng)自基礎(chǔ)開始每層設(shè)置直至裙房頂層,如某種原因?qū)е潞鬂矌o法留設(shè)在梁跨中部位時(shí),則應(yīng)注意其對(duì)梁抗剪承載力的影響,必要時(shí)可在梁內(nèi)該部位增設(shè)型鋼以加強(qiáng)抗剪承載力。在應(yīng)在施工圖中要求施工方將后澆帶兩側(cè)構(gòu)件妥善支撐,并應(yīng)注意由于留設(shè)后澆帶可能引起的各部分結(jié)構(gòu)承載力與穩(wěn)定等問題。如圖4設(shè)置后澆帶后裙房擋土墻側(cè)壓力無法傳遞至高層主樓時(shí),應(yīng)采取措施避免可能出現(xiàn)的施工事故。    (a) 做法一（b）做法二  圖 3后澆帶設(shè)置示意圖  圖 4主、裙樓間后澆帶設(shè)置示意圖  ⑵除后澆帶留設(shè)位置及增設(shè)型鋼做法外,其余做法均與上述做法相同,如圖3b所示。該做法的優(yōu)點(diǎn)是減少了支撐,對(duì)于安裝機(jī)器設(shè)備及裝修進(jìn)度等方面影響較小。但應(yīng)注意構(gòu)件兩端留縫對(duì)于抗剪承載力的影響,必要時(shí)采取補(bǔ)強(qiáng)措施。  2 地下室各部位設(shè)計(jì)  2.1 底板設(shè)計(jì)  ⑴厚度計(jì)算  地下室底板形式一般有梁板式筏基和平板式筏基,墻下平板式筏基用于剪力墻結(jié)構(gòu),柱下平板式及梁板式筏基適用于框架或框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。梁板式筏基基礎(chǔ)應(yīng)滿足斜截面受剪及正截面受彎承載力的要求,當(dāng)基礎(chǔ)與底板豎向構(gòu)件混凝土強(qiáng)度級(jí)相差10mpa以上時(shí),尚應(yīng)驗(yàn)算局部受壓承載力。  h0≥[ (1n1+1n2) - ( 1n1+1n2) 2- √4pj1n1 1n2 ( pj+0.6ft) ]/4⑴  當(dāng)?shù)装鍏^(qū)格為單向板時(shí),底板截面高度h0按下式計(jì)算:  h0≥pj1n1 /( pj+1.3ft ) ⑵  式中:pj為相當(dāng)于荷載效應(yīng)基本組合的基底平均凈反力(kn/m2)；ln1、ln2分別計(jì)算板格的短邊和長邊的凈長度；ft為混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。平板式筏基應(yīng)滿足受沖切承載力及相應(yīng)的構(gòu)造要求,且板厚≥400mm,初步設(shè)計(jì)時(shí)h0可按下式計(jì)算:    式中:n為軸力設(shè)計(jì)值(kn)；(ac+bc)為柱端面周長的50%(m)；b按表1選取。  表1b的取值  混凝土等級(jí) b  c20 1.07  c25 1.00  c30 0.94  c35 0.90  c40 0.86  c45 0.84  c50 0.82  ⑵底板內(nèi)力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法  a.倒樓蓋法:適用于地基較均勻、筏形基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)剛度大、柱軸力及柱距相差不大的情況；  b.靜定法(截面法):適用于地基較均勻、筏形基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)剛度大、柱軸力及柱距相差大的情況；進(jìn)行基礎(chǔ)截面承載力設(shè)計(jì)時(shí),宜根據(jù)具體情況(包括地基均勻程度)對(duì)上述方法的計(jì)算結(jié)果作出適當(dāng)調(diào)整,也可參考兩種計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)作適當(dāng)調(diào)整。  ⑶工程實(shí)例計(jì)算  某住宅小區(qū)由9棟塔樓組成,下部設(shè)3層裙房作為商場(chǎng),1層地下室作為停車場(chǎng)及設(shè)備用房。柱距8m×8m,柱截面600×600,地下水位距底板底3.4m。底板恒載為底板(厚400mm)0.4×25=10kn/m2,墊層(厚300mm)0.3×20=6kn/m2；活載2.5kn/m2；地下水浮力3.4×10=34kn/m2,不與活載組合。  a.梁板式筏基:梁截面500×900,板厚400mm,采用pkpm軟件計(jì)算梁配筋率約1.3%,板配筋為雙層雙向φ14@150；  b.無梁式筏基:板厚400mm,采用理正結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件得出柱上板帶配筋φ18@120,跨中板帶配筋為φ14@160。  計(jì)算結(jié)果表明,單層地下室在地下水位約3m或以下采用平板式筏基,綜合考慮基礎(chǔ)梁施工因素,其經(jīng)濟(jì)性應(yīng)優(yōu)于梁板式筏基。另外,當(dāng)板底下土性質(zhì)相對(duì)較好,地基承載力特征值≥100kpa時(shí),可考慮底板荷載由地基土承擔(dān),底板只作抗浮板考慮。  2.2 頂板設(shè)計(jì)  ⑴頂板荷載  高層及多層地下室頂板(±0.00)處施工活荷載考慮高層主樓施工材料堆放及機(jī)械設(shè)備荷載,宜按10kn/m2計(jì)算。此時(shí)恒荷載僅考慮樓板自重(面層及管道安裝荷載不參與組合),并應(yīng)把此時(shí)的荷載組合與使用荷載組合取不利值進(jìn)行設(shè)計(jì)。  ⑵頂板結(jié)構(gòu)形式  常用的頂板結(jié)構(gòu)形式有梁板式樓蓋、無梁樓蓋、空心板式樓蓋等,其中梁板式樓蓋在地下室頂板覆土厚度允許時(shí)可做成局部上反梁,在頂板處(梁中部)預(yù)留過水管及各種管線穿管,其優(yōu)勢(shì)是可明顯增大地下室的凈空,局部上反梁可做成經(jīng)濟(jì)性較好的截面(不需做成寬扁梁),缺點(diǎn)是施工難度和費(fèi)用都較大。  a.荷載組合條件(1)  均布荷載:鋼筋混凝土板厚180mm,0.18×25=4.5kn/m2；水泥砂漿面層厚20mm,0.02×20=0.4kn/m2；板底抹灰層厚20mm,0.02×17=0.34kn/m2；管線安裝0.5kn/m2；二次裝修0.65kn/m2?？傆?jì)6.39kn/m2,恒載分項(xiàng)系數(shù)1.2,均布活載(1層商場(chǎng))3.5kn/m2,活載分項(xiàng)系數(shù)1.4,故荷載設(shè)計(jì)值為1.2×6.39+1.4×2.5=11.17kn/m2。  b.荷載組合條件(2)  均布荷載:鋼筋混凝土板厚180mm,0.18×25=4.5kn/m2；恒載分項(xiàng)系數(shù)1.2,均布活載(施工荷載)10.0kn/m2,活載分項(xiàng)系數(shù)1.4,0荷載設(shè)計(jì)值為1.2×4.5+1.4×10.0=19.4kn/m2。    c.配筋條件  混凝土等級(jí)為c30,縱筋級(jí)別為hrb335,配筋調(diào)整系數(shù)1.0,保護(hù)層厚度25mm。截面尺寸為:梁板式頂板主梁300×750,次梁250×600,板厚180mm,無梁樓蓋式頂板厚350mm。經(jīng)計(jì)算,梁板式頂板配筋率為主梁1.3%～1.5%,次梁約1.2%,樓板雙層雙向配筋φ14@150。無梁樓蓋式頂板配筋為柱上板帶φ18@140,跨中板帶φ14@200。  2.3 側(cè)墻設(shè)計(jì)  地下室外墻外側(cè)應(yīng)考慮土壓力及水壓力作用,其中水壓力按可能出現(xiàn)的最高水位計(jì)算,土壓力則按外墻能否產(chǎn)生位移,墻本身剛度、受樓板和側(cè)墻分隔約束等情況,可采用靜止土壓力、主動(dòng)土壓力、或(靜止土壓力+主動(dòng)土壓力)2。當(dāng)基坑支護(hù)采用懸臂樁或外錨樁支護(hù)時(shí),地下室的土壓力可適當(dāng)折減。  ⑴墻體計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5,通常地下室整體剛度較大,為偏于安全,可不考慮側(cè)移,側(cè)土壓力系數(shù)取值見表2。  表2 一般地下室的側(cè)土壓力系數(shù)  土的種類和狀態(tài) k0  碎土石 0.18～0.25  砂石 0.25～0.33  粉土 0.33～0.43  粉質(zhì)粘土 堅(jiān)硬 0.33  可塑 0.43  流塑及軟塑 0.53  粘土 堅(jiān)硬 0.33  可塑 0.53  流塑及軟塑 0.57  ⑵土壓力及水壓力計(jì)算  地下水位處土壓力w土=p1=gh1k0；深度h處土側(cè)壓力w土=p2=(gh1+gh2)k0；地下水位處水壓力w水=p3=gwh2；地面荷載產(chǎn)生的側(cè)壁壓力w=p4=ghk0(式中k0為靜止土壓力系數(shù),k/nm3；g為土的天然重度,kn/m3；g′為土的浮重度,kn/m3,g′=gsat-gw；gw為水的重度,gw=10kn/m3；gsat為土的飽和重度(kn/m3)。  ⑶地下室側(cè)壁豎向裂縫控制措施:①適當(dāng)設(shè)置后澆帶,一般間距15～20m設(shè)1道,寬約1m；②側(cè)壁鋼筋宜采用小直徑鋼筋,間距應(yīng)小于150mm；③采用低水化熱混凝土澆注；④注意混凝土澆注后的回填與養(yǎng)護(hù)。  3 結(jié)束語  總之，在高層建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，地下室超長是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，在地下室其他部位的設(shè)計(jì)中應(yīng)不斷研究和進(jìn)行方案比較，在可能的情況下做出較優(yōu)的技術(shù)方案才能實(shí)現(xiàn)安全、適用、經(jīng)濟(jì)等綜合目標(biāo)。  參考文獻(xiàn)  [1] 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》gb50010-2002  [2] 《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》gb50108-2008  注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)用pdf形式查看。