談坡地多層地下室結構設計問題

武　凡

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，新疆烏魯木齊　830002)

談坡地多層地下室結構設計問題

武凡

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，新疆烏魯木齊830002)

摘要:結合實際工程情況，從不平衡推力的抵抗、嵌固部位的選取等方面，分析了坡地上局部多層地下室結構設計中存在的問題，并通過對不同結構布置方案受力性能的研究，提出了一些合理的設計建議，為相似工程提供參考。

關鍵詞:地下室，不平衡推力，擋土墻，嵌固端，位移角

1　概述

隨著城市建設的大發展，建設用地作為一種資源越來越受到社會的關注，工程建設場地的選取也相應受到了較大的限制。工程建設應保護環境，不應以破壞環境為前提來確保項目的實施;以可持續發展觀為先決條件，少占耕地、綠化用地等。

因此，工程建設場地逐步由單一平整的場地向條件復雜的場地過渡，如坡地、洼地等。這類場地因其條件特殊、復雜多變，給結構設計提出了更高的要求。

2　工程概況

本文所選的建筑是烏魯木齊地區一棟框架結構的文化館，地下2層，地上3層，地下室層高均為4.0 m，地上層高分別為4.2 m，3.9 m，3.9 m，場地類別為Ⅱ類，設防類別為8度，設計基本地震加速度值為0.2g，設計地震分組為第二組，場地特征周期0.40 s。建設場地位于一坡地上，地勢南高北低。建筑南入口(主入口)從±0進入建筑，北入口(次入口)從－1層進入建筑。平面及剖面示意圖如圖1，圖2所示。

3　工程分析

3.1方案比較分析

因建筑場地位于一坡地上，結合圖1，圖2可知，建筑的地下－1層南側有兩層覆土，北側有一層覆土，其余兩側覆土隨自然地勢變化。因覆土對結構具有側向力作用，若建筑四周的覆土情況不一致，覆土將對建筑產生水平方向的不平衡推力。這一不平衡推力對建筑結構的作用方向是恒定不變的，這對結構整體特別是地下－1層來說具有很大的不利影響。結構設計方面，不僅僅是需要設置擋土墻［2］等構件來抵抗這一部分的不平衡推力，還需要對結構進行調整來滿足整體結構的剛度偏心，結構扭轉等各項指標。

圖1　平面示意圖

圖2　剖面示意圖（一）

圖3為本工程前期方案(方案一)－1層結構平面布置圖，東西兩側因豎向擋土墻對稱布置，對結構影響不大。但因南側水平向擋土墻較長，剛度大，為防止本層結構剛度的嚴重偏心，在建筑專業允許的條件下，在北側兩跨框架內設置了剪力墻。通過分析計算，此結構布置方案不能較好的解決結構剛度偏心，結構扭轉等問題。若當建筑整體各項指標都能較好滿足規范要求時，結構構件尺寸較正常情況偏大較多，整體經濟性較差，不利于建筑豎向及平面的布置，對建筑功能發揮有一定的影響，故最終未選取此方案進行施工圖設計。

上面這一方案采用硬“抗”的方式利用－1層結構的整體來抵抗因土壓力而引起的不平衡推力。通過對本工程受力特性的思考和剖析，發現在結構設計中主要問題是，如何有效的消除或削弱不平衡推力對結構的影響。對此我們采用了一種新的設計方法來解決這一問題。

覆土對結構的不平衡推力是不可消除的，但我們可通過結構的構造做法來改變不平衡推力的作用部位，以實現削弱其對結構整體的影響。通過對項目的分析研究，得出利用地下－2層結構來抵抗覆土的不平衡推力比較有利。原因如下:地下－2層四周均有覆土，并在外墻處均已設置了擋土墻，該層的結構剛度大，且四周又有覆土的側向約束，能較好的抵抗由－1層傳遞來的不平衡推力。剖面示意圖(二)見圖4。

圖3　-1層結構平面布置圖（方案一）

圖4　剖面示意圖（二）

結構的構造做法如圖5所示。

由圖5可知，本工程南側的覆土通過設置懸臂擋土墻來抵抗，其中因懸臂擋土墻的緣故，擋土墻與－1層主體結構脫開，由覆土產生的水平向推力由懸臂擋土墻傳遞至－2層頂板，改變了傳統方案側向推力的傳力路徑，削弱了不平衡推力對結構的影響。由此我們可認為本工程為一棟地下1層、地上4層的普通建筑。此方案(方案二)－1層結構平面布置圖如圖6所示。

圖5　節點構造做法示意圖

圖6　-1層結構平面布置圖（方案二）

3.2計算分析

1)嵌固部位的選取。正確選取嵌固端及計算模型與多高層框架結構的計算結果有密切的聯系［3］。一般情況下，對于帶地下室的建筑，通常選取地下室頂板作為嵌固部位。GB 50011—2010建筑抗震設計規范［4］第6.1.14條給出了地下室頂板作為上部結構的嵌固部位應符合的要求，其中條文說明中指出“這里所指地下室應為完整地下室”。本工程由于－1層地下室為非全埋地下室，故上部結構的嵌固端不能選取在－1層頂板，嵌固端選取在－2層頂板較為合適。

2)位移角和剛度。本文選用SATWE軟件進行計算分析，根據計算結果得出方案一和方案二X，Y向最大層間位移角曲線(如圖7，圖8所示)以及各樓層的剪切剛度(如表1，表2所示)。

表1　X向各層剪切剛度　kN/m

表2　Y向各層剪切剛度　kN/m

圖7　X方向最大層間位移角曲線

圖8　Y方向最大層間位移角曲線

由以上計算結果可知，方案一因在－1層設置了擋土墻，剛度較大，－2層的層間位移角很小，幾乎可以忽略不計。若不考慮其他因素，僅從最大層間位移角曲線圖上判斷，我們可以認為，方案一的嵌固部位選在了－1層頂板處。對比方案一和方案二的計算結果，我們可以判斷出方案一嵌固端上部結構在－1層頂板處發生了剛度突變。

另外，方案一－1層雙向均布置了剪力墻，此層結構接近框架—剪力墻結構，而上面3層為框架結構。相比于方案二嵌固端上部為純框架結構體系的建筑，方案一在模型計算分析時整體結構體系的選定上存在一定問題，結構整體抗力體系不明確，無法準確的判斷是框架結構或是框架—剪力墻結構。若實際情況中存在類似的工程，從安全角度出發，建議采用包絡設計的方法來處理。結構體系分別選框架結構和框架—剪力墻結構進行計算，在滿足要求的基礎上，計算結果取大值。

4　結論與建議

1)本文方案二－1層擋土墻與結構主體脫開的做法能夠較好的解決局部地下室擋土墻布置偏心的問題，但此種做法存在一定的限制。當該層層高較大時，懸臂擋土墻較難滿足設計要求，整體經濟性較差。另外，對于雨水較多的地區，脫開部位的防水工作顯得尤為重要。

2)可結合不同工程的各自特點，選用不同的構造做法(如圖5所示)，來簡化計算模型，便于后期的計算分析。

3)由于坡地建筑易形成平面、豎向不規則，扭轉效應明顯，設計時應根據實際情況合理確定結構的嵌固部位。

4)設計時，應根據坡地的實際情況及建筑的特點合理確定結構方案。最好做到在建筑方案創作階段結構專業就能夠參與其中，給出合理化建議。

參考文獻:

［1］張朝云.帶地下室高層建筑結構嵌固端的選擇及相關問題研究［D］.重慶:重慶大學，2008.

［2］鄭冬菁.坡地建筑中擋土墻的設計［J］.福建建設科技，2002 ( 4) :86-87.

［3］孫洋，巢斯.地下室側向剛度對多高層框架結構的影響［J］.佳木斯大學學報(自然科學版)，2015，33( 1) :124-125.

［4］GB 50011—2010，建筑抗震設計規范［S］.

Discussion on multi-story basement structure design problems in the sloping field

Wu Fan
( Xinjiang Corps Survey＆Design Institute( Group) Co.，Ltd，Urumqi 830002，China)

Abstract:Combining with actual engineering conditions，starting from aspects of imbalanced thrust force resistance and embedded parts selection，the paper analyzes problems existing in multi-story basement structure design in the sloping field.Through studying stress performance of different structures distribution schemes，it puts forward some rational design suggestions，which has provided some guidance for similar engineering.

Key words:basement，imbalanced thrust，retaining wall，embedded parts，displacement angle

作者簡介:武凡(1983-)，女，工程師

收稿日期:2015-11-30

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0032-03

中圖分類號:TU318

文獻標識碼:A