地下室結構設計的整體性分析

張建輝

【摘要】地下室的結構設計在整個建筑結構設計中是比較重要的一個環節，因為地下室的位置較為特殊，如果設計不當，對整個工程性能會產生較大影響，本文針對結構設計中的幾個問題作簡述。

【關鍵詞】高層建筑 地下室 結構設計

一、前言

地下室的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，有些問題至今尚未得到很好的解決，如：地基與基礎的相互作用問題。上部結構剛度對地基基礎的影響等等。現代高層建筑由于地下工程龐大，建設工程在地下的投資已經接近甚至超過了地上，因此無論是從技術還是從經濟的角度講都需要我們更深入地研究地下室結構設計的技術問題，提高地下室結構設計的水平，真正做到技術與經濟同步，安全與適用協調。

二、地下室結構設計的特點要求

地下室結構設計的主要內容包含幾個方向：

1.地下室主體結構設計，包括頂板、外側墻、底板等構件的結構設計；

2.孔口防護設計，包括出入口的防護和消波系統（防護設備）其中出人口的防護包含防護密閉門的選用、門框墻、臨空墻的計算，出人口通道（包括風井）的計算等幾個方面，而消波系統則包含防爆破活門的選用和擴散室（箱）的設計。

3.地下室是否與上部結構一起計算對于計算結果影響較大，其底板經常同時作為結構的基礎，需要考慮地基的反作用力，頂板作為工程的重要部位，需要組合核爆炸力的等效靜荷載，外墻則需考慮側向的土、水的水平作用組合。

總之，地下室的結構設計可按整體設計和構件的單獨設計分別進行。結構設計的可靠性可以降低，一般建筑結構（延性破壞）失效概率為6.8%，而地下室結構（延性破壞）失效概率為6.1%，需考慮結構的動力效應，結構構件可考慮進人塑性工作狀態，材料設計強度可以提高。在快速加載的情況下，材料力學性能發生比較明顯的變化。主要表現為強度提高，但變形性能包括塑性性能等基本不變，這對結構工作起到有利作用。

三、地下室結構設計中存在的問題

1.地下室結構平面設計

地下室工程涉及的專業極為復雜，在高層建筑的地下室結構設計時，需綜合考慮防火、使用功能、人防要求、設備用房及管道、坑道、排水、通風、采光等各專業的配合。例如地下室的長度超過設計規定的長度時，需要與結構專業配合，確定是否設置變形縫，通常應盡可能少設或不設變形縫，因為設置變形縫會使得變形縫處的防水處理變得復雜。設計人員可以通過設置后澆帶和合理使用混凝土外加劑或地上設縫、地下不設縫等方式，達到不設縫的目的。若地下室過長，依靠設置后澆帶的方法難以解決，設計人員應合理地調整平面，將地下室分割成幾個小地下室，中間用較窄的通道相連，以滿足使用及管道相連的要求，而將變形縫設置在通道處，這樣可以使接縫較少且處于受力較小處，便于補救。在結構設計時應合理地設置采光通風井，若高層建筑采光通風井位置設計不當，例如在側壁外作附加通長采光井，而采光井外壁又不能與地下室頂板整體連接，會造成地下室保證結構穩定功能的喪失，不能有效地將上部的地震及風力作用傳至側壁及地面，不能滿足高層建筑的埋深要求。

2.地下室外墻結構設計

地下室的外墻是結構設計的重點，應按水、土壓力驗算外墻抗裂性能。在設計時應注意以下要求：

（1）荷載，地下室外墻所承受的荷載分為水平荷載和豎向荷載。豎向荷載包括上部及地下室結構的樓蓋傳重和自重，水平荷載包括室外地面活載、側向土壓力、地下水側向壓力和人防等效靜荷載。在實際工程設計中，豎向荷載或地震作用產生的內力一般不起控制作用，墻體配筋主要由垂直墻面的水平荷載產生的彎矩確定，而且通常不考慮與豎向荷載組合的壓彎作用，僅按墻板彎曲計算彎曲的配筋。

（2）地下室外墻截面設計時，土壓力引起的效應為永久荷載效應。地下室外墻承受的土壓力宜取靜止土壓力，靜止土壓力宜由試驗確定。當不具備試驗條件時，砂土可取0.34～0.45，黏性土可取0.5～0.7。水位穩定的水壓力按永久荷載考慮，分項系數可取 1.2；水位急劇變化的水壓力按可變荷載考慮，分項系數宜取 1.3。有人防要求的地下室外墻的永久荷載分項系數，當其效應對結構不利時取 1.2，有利時取 1.0；抗爆等效靜荷載分項系數取1.0。

四、建筑工程地下室結構優化設計

1.抗震設計

一般來講地下室抗震設計中較為常見的問題為：多層建筑中半地下室埋深不夠。當地下室頂板作為上部結構嵌固端時，地下室一層抗震等級應與上部結構相同，地下一層以下抗震構造措施的抗震等級可逐層降低一級，但不應低于四級。地下室中無上部結構的部分，抗震構造措施的抗震等級可根據具體情況采用三級或四級。

若地下室設計不當，對其整體的抗震性能會產生較大的影響。根據施工圖審查要點，一般來講，對于半地下室的埋深要求應大于地下室外地面以上的高度，才能不計算其層數，總高度才能從室外地面算起。地下室的墻柱與上部結構的墻柱應協調統一。對地下室頂板室內外板面標高變化處，當標高變化超過梁高范圍時則形成錯層，應采取一定的措施進行處理，否則不應作為上部結構的部位。相關規范明確規定，作為上部結構嵌固部位的地下室頂板相關范圍，應采用梁板結構，主樓地下室頂板相關范圍為無梁樓蓋時不應作為上部結構的部位。結構計算應向下計算至滿足要求的地下室樓層或底板，但剪力墻底部加強區層數應從地面往上計算，并應包括地下樓層。

2.地下室抗浮、抗滲設計

一般來講，此類設計常見問題為：地下水位未按勘察報告確定，或勘察報告未提供計算浮力的地下水位及其變幅，違反了 GB50007- 2011 第 3.0.4 條；斜坡道未進行抗浮驗算，斜坡道與主體分縫處未作處理；抗浮驗算不滿足要求，不符合GB50009-2012 第3.2.4條等。

地下水位及其變幅是地下室抗浮設計的重要依據。實際在地下室抗浮設計時僅考慮正常使用的極限狀態，而對施工過程和洪水期重視不足，會造成地下室施工過程中因抗浮不夠而出現局部破壞。另外，在同一整體大面積地下室的上部常建有多棟高層和低層建筑，由于地下室的面積較大、形狀又不規則，且地下室上方的局部沒有建筑，此類抗浮問題相對難以處理，須作細致分析后再進行處理。地下室結構設計除應滿足受力要求外，抗滲也是其中一個重點。由于鋼筋混凝土結構通常帶裂縫工作，要達到抗滲目的，一般可采取以下措施：

（1）補償收縮混凝土。在混凝土中摻微膨脹劑，以混凝土的膨脹值抵消混凝土的最終收縮值。當其差值大于或等于混凝土的極限拉伸時，即可控制裂縫；

（2）膨脹帶。混凝土中膨脹劑的膨脹變形不會完全補償混凝土的早期收縮變形，而設置補償收縮混凝土帶可以實現混凝士連續澆注無縫施工；

（3）后澆帶。后澆帶作為混凝土早期短時期釋放約束力的一種技術措施，較長久性變形縫已有很大的改進并廣泛應用；

五、結束語

高層建筑地下室結構設計顯然是一個復雜的過程，但是，只要把握設計要點，抓住設計重點，以合理的設計為前提，進行全面考慮，使建筑地下室結構設計工作發揮其最大的經濟作用和社會效益、戰略效益。

參考文獻：

[1] GB50038-2005 人民防空地下室設計規范 [S] 北京：中國建筑工業出版社.2005.

[2] GB50011-2010 建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社.2010.

[3] GB50007-2011 建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社.2011.