高層建筑地下室結構設計研究

周俊威

如今，在高層建筑工程中，多設置若干層地下室，用于地下車庫和設備用房。為保證整體結構的合理性，需切實做好地下室結構設計，充分考慮設計中的每個環節，保證設計的可行性、合理性及經濟性。

1 主、裙樓之間的關系

1.1 變形縫

變形縫是抗震縫、伸縮縫與沉降縫的總稱，是否需要設置變形縫主要和場地類別與基礎形式有關。某高層建筑地下室總平、剖面如圖1所示。

本高層建筑主樓地上26層，總建筑高度為100m，設1層地下室；裙樓地上4層，設2層地下室。本建筑處在7度設防區，在筏形基礎以下，均采用預制混凝土方樁。根據設計原則，因主、裙樓的高度和荷載相差懸殊，且建筑物的總長嚴重超限，所以必須在主、裙樓之間布置變形縫。但在地下室，不布置變形縫，將其連成整體。這樣做的目的在于：①如果布置變形縫，則會對地下室正常使用造成影響，裙樓伸入到主樓地下室施工困難；②布置沉降縫，會使主、裙樓的一方產生樁基后退，這樣不僅會造成樁位難以布置，而且還會出現懸挑；③從工程實踐可以看出，只要設計合理，建筑沉降量通常很小。本建筑主、裙樓以下均為預制混凝土長樁，同時予以加強處理，避免產生不均勻沉降；其四，掩埋在土體中的結構，其受到的大氣影響比地面結構小。為防止地下室產生收縮開裂，并避免受到地上溫度等因素的影響，不僅要在裙房的其中一側布置后澆帶，而且還要在主、裙樓之間布置伸縮縫。

是否需要設置變形縫主要和場地類別與基礎形式有關，以某工程實例為例進行分析。本工程處在7度設防區，主樓地上21層，總建筑高度為70m，用于辦公；裙樓地上4～5層，總建筑高度為22m，用于開展活動與住宅，采用框架結構。主、裙樓設1層地下室，高度相等，同時在的底板以下設置混凝土灌注樁。由建筑功能可以看出，如果將主、裙樓連成一個整體，則因主樓的平面相對較小，且裙樓縱向很長，所以必定產生扭轉。此外，從使用的角度講，柱網和層高都很難進行協調。所以應布置沉降縫，將主、裙樓分開，這是合理可行且切實必要的。然而，因布置沉降縫后，會使主樓在布置變形縫的一側喪失側向限制，受水平方向的作用力后，產生側移。所以應在雙墻雙柱之間充填粗砂，用于對水平方向上的地震力進行傳遞。

1.2 剛度平衡

圖1 地下室總平、剖面

在主、裙樓的地下室相聯結，且裙樓地下室面積很大時，由于二者的豎向剛度存在很大偏差，會產生剛度不平衡這一實際問題。對于高層建筑，其剪力墻大多設置到地下室，使地下室和上部構成有較大剛度的整體。裙樓多采用框架結構，如果其平面面積相對較大，則裙樓剛度將小于主樓。在主、裙樓的地下室相聯結后，必定協同作用，發生協調變形。這一情況下，因裙房豎向剛度較為柔軟，在聯結處周圍可能產生彎曲變形，形成剪應力與彎曲應力。此外，因聯結處剛度突變，所以應力容易集中于此處周圍，如果應力達到混凝土極限強度以上，則構件將產生開裂。針對這一現象，應在結構設計過程中對地下室結構剛度予以加強。特別是在彎曲變形方向上分布的豎向剛度，同時注意聯結處強度及剛度過渡等實際問題。

2 主體外局部地下室房間的處理

對于主體外局部地下室房間，即將全部落地形式的地下室結構作為主體，考慮到建筑與設備實際需要，還會在主體外部布置懸挑房間。該房間屬于局部性質，或和主體基礎的底板保持聯結，也會在某層高處進行挑出。對于局部房間，無法和主體基礎的底板一同按照現行理論實施分析計算，但和主體同時發生下沉。某高層建筑所設三層地下室如圖2所示，其底板以下采用灌注樁基礎。為滿足設備布置方面的要求，于負二層增設一處房間，將其直接放置在地基上。在進行這一房間的設計工作時，應進行以下考慮：①將這一房間視作在主體上嵌固的懸臂構件，和主體結構相聯的房間，其兩側墻體視作主體上的懸臂深梁；②房間的頂板承擔上部覆土重量與從地面上不斷傳遞而來的活荷載。應注意的是，房間下部地基反力不單單是由房間自重產生。在與主體相連后，伴隨上部施工不斷進行，荷載不斷積累，房間和主體同時產生沉降；③雖然懸臂深梁屬于主要承重構件，但用于承擔上、下部荷載的頂板和底板，同樣為在主體上進行嵌固的懸臂構件，所以，受到面荷載持續作用后，主體和板之間的交界面將產生剪力和彎矩，在設計過程中不可忽略（如圖2所示）。

3 懸臂基礎板處理

（1）伴隨上部荷載不斷作用，整體建筑產生沉降，荷載由基礎底板不斷向地基與樁基傳遞。受樁基與基底土作用后，承臺如同倒放在上部墻柱以上。

（2）對于懸臂基礎板以下反力方面的問題，通過以上分析可以看出，部分荷載將由基礎板不斷傳遞到地基。從基礎板角度講，不同部分地基反力保持均勻且一致，如果工程處在軟弱地基，則會產生沉降，從現有文獻可以看出，反力可取總荷載的10%，同時和基礎板中的恒荷載反力對比，從中選取較大值。同樣，這一部分的反力也應控制在地基土承載能力以內。

（3）受地基反力與水浮力后，懸臂板將發生一定程度的翹曲。此時，需要將樁排以外到基礎板以外邊緣的距離為依據對懸臂板進行準確計算。

（4）在懸臂基礎板中，縱向嵌固帶屬嵌固端，主要承擔從基礎板上傳遞來的剪力及彎矩。與此同時，在基礎板上，嵌固條帶為柱上板帶。可見，可將基礎板視作在墻柱倒放的無梁樓蓋。受樁群與地基反力等實際作用后，根據無梁樓蓋的基本原理，對于縱向嵌固條帶，它承擔主要的反向荷載，意義重大。基于此，對嵌固帶寬度進行計算時，需要按照縱向樁距離來計算，當然也可根據柱上板帶實際寬度完成計算。

圖2 某高層建筑地下三層結構

（5）對懸臂基礎板以上的實際荷載進行計算時，板端外墻和從頂板上傳遞的荷載都屬于集中線性荷載，并且只考慮恒載，對覆土的重量可不予考慮，在計算過程中不取相應的數據。

從已有的工程實例中可以看出，地下室剛度是使結構產生協同工作的重要基礎。若對基礎板的實際懸臂長度予以增大，則只依靠板底抵抗彎曲應力會顯得十分乏力，這一情況下，可按照一定間隔距離設置工字型截面，進而提高抗彎截面的實際高度。也可在板體的端部增設抗拔樁，以此對實際的受力狀態予以有效改善。

4 結束語

在高層建筑工程中，地下室的設計涉及到很多不同方面，仍有諸多問題亟待解決。以上研究從宏觀角度研究了地下室設計，得出以下結論：

（1）在地下室結構中，變形縫設置需要綜合考慮實際情況，嚴格按照聯得牢固和脫得徹底的基本原則實施結構設計。

（2）重視并有效加強結構剛度，同時盡可能避免剛度突變，尤其是在聯結處，不能存在突變的情況，否則將對結構的整體性造成影響。

（3）對于地基反力準確取值，其本質上屬于樁基和地基土之間荷載合理分配的問題。按現有文獻資料與相關工程經驗，地基土的分配值應取建筑物總荷載的10%。