淺析開敞地下室的高層結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃超峰

北京華巨建筑規(guī)劃設(shè)計院有限公司福州分公司

1 工程概況

本項目位于福清市海口鎮(zhèn)則徐大道南側(cè)，305省道東側(cè)，由7棟分別為28～33層的高層住宅組成，下設(shè)一層（局部兩層）地下室。擬建場地屬于丘陵坡地地貌，地勢北高南低，西高東低。因場地標(biāo)高變化急劇，方案設(shè)計為避免深挖高填，南側(cè)地下室底板標(biāo)高已大致與室外地面標(biāo)高持平。

2 設(shè)計條件及待解決問題

2.1 設(shè)計基本條件

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，本工程設(shè)計基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》的規(guī)定，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計地震分組為第三組，建筑物場地類別為Ⅱ類。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，本工程抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類）。

基本風(fēng)壓：WO=0.80kN∕m2（50年一遇）；地面粗糙度C類，風(fēng)荷載體型系數(shù)按照《高規(guī)》附錄計算取1.34。

根據(jù)地勘資料，場地土層揭示如下：1雜填土；2粉質(zhì)黏土；3全風(fēng)化凝灰熔巖；4砂土狀強風(fēng)化凝灰熔巖；5碎塊狀強風(fēng)化凝灰熔巖；6中風(fēng)化凝灰熔巖。高層基礎(chǔ)采用旋挖灌注樁，持力層取中風(fēng)化凝灰熔巖。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計所存在問題

本項目因地下室南向全敞開，與通常情況下全埋地下室有所區(qū)別，所帶來問題如下。

（1）上部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，地下室是否需定義為裙房，即本項目是否屬于帶大底盤多塔結(jié)構(gòu)。

（2）基礎(chǔ)設(shè)計時，主樓基礎(chǔ)面標(biāo)高同現(xiàn)有室外地面標(biāo)高，埋深不滿足建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范的要求：在抗震設(shè)防區(qū)，除巖石地基外，天然地基上的箱形和筏形基礎(chǔ)其埋置深度不宜小于建筑物高度的1∕15；樁箱或樁筏基礎(chǔ)的埋置深度（不計樁長）不宜小于建筑物高度的1∕18。

3 上部結(jié)構(gòu)受力分析及設(shè)計

3.1 受力分析

首先，當(dāng)高層建筑帶裙房時，因受建筑條件限制，塔樓結(jié)構(gòu)質(zhì)心與底盤結(jié)構(gòu)質(zhì)心普遍存在偏心，在水平力作用下，結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生較為復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)振動。

其次，與常規(guī)全埋地下室側(cè)墻四面圍合有所不同，非全埋地下室側(cè)墻往往出現(xiàn)單側(cè)或兩側(cè)無側(cè)墻的情況，此現(xiàn)象將進(jìn)一步造成地下室剛度中心與質(zhì)量中心偏離，加劇扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

再者，地下室一般為框架結(jié)構(gòu)體系（主樓范圍外），柱位少而疏；上部高層一般為剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻多而密，二者之間抗側(cè)剛度存在顯著差異。

上述多種因素下，帶敞開地下室的高層結(jié)構(gòu)在水平力作用下，無側(cè)墻一側(cè)的地下室遠(yuǎn)端將存在明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

對此，為削弱此類結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，可沿地下室開敞一側(cè)人為增設(shè)鋼筋混凝土外墻，使地下室四周側(cè)墻圍合，形成側(cè)向剛度很大的結(jié)構(gòu)體系。在水平力作用下，此地下室側(cè)向變形將趨近于零，地下室遠(yuǎn)端的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)將被大大削弱。

分別取地下室側(cè)墻不圍合與圍合兩種模型計算，其結(jié)果對比如圖1、圖2。

側(cè)墻不圍合時，一層最大層間位移角分別為：X向地震工況下為1∕2961；Y向地震工況下為1∕9999，X向風(fēng)荷載工況下：1∕3291，Y向風(fēng)荷載工況下：1∕7001側(cè)墻圍合時，一層最大層間位移角分別為:X向地震工況下為1∕9999；Y向地震工況下為1∕9999，X向風(fēng)荷載工況下：1∕9999，Y向風(fēng)荷載工況下：1∕9999。側(cè)墻不閉合時，一層最大位移比及最大層間位移比均為1.41，側(cè)墻圍合時，一層最大位移比及最大層間位移比均為1.13。

故在采取此措施后，此類地下室可認(rèn)為與普通全埋地下室并無太大差異，不屬于主體結(jié)構(gòu)的裙房，上部結(jié)構(gòu)亦不屬于多塔結(jié)構(gòu)。

3.2 上部高層包絡(luò)設(shè)計及構(gòu)造加強措施

（1）敞開地下室雖人為增設(shè)側(cè)墻封閉，但由于室外無覆土約束，上部單體結(jié)構(gòu)應(yīng)偏于安全按無地下室進(jìn)行設(shè)計，計算高度取至地下室底板面。

（2）上部單體雖按嵌固于基礎(chǔ)面設(shè)計，但地下室頂板的實際約束作用不可忽略，需另按嵌固于地下室頂板面進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

（3）當(dāng)?shù)叵率翼敯宀豢杀苊獯嬖诟卟钭兓瘯r，為保證頂板位置水平力傳遞路徑的連續(xù)有效，頂板高低差處均采取加腋措施，防止頂板形成錯層結(jié)構(gòu)，造成傳力途徑中斷。

4 基礎(chǔ)受力分析及設(shè)計

4.1 基礎(chǔ)形式選取

根據(jù)地勘報告，本工程采用旋挖灌注樁基礎(chǔ)，樁身直徑900mm，持力層取為中風(fēng)化凝灰熔巖，樁長約20m，樁身混凝土強度采用水下C35，樁身配筋取14根20，樁身配筋率約為0.69%。

4.2 基礎(chǔ)受力分析

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 5007—2011）第5.1.3條，“高層建筑基礎(chǔ)的埋置深度應(yīng)滿足地基承載力、變形和穩(wěn)定性要求。位于巖石地基上的高層建筑，其基礎(chǔ)埋深應(yīng)滿足抗滑穩(wěn)定性的要求。”《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 5007—2011）第5.1.3條條文說明，“根據(jù)相關(guān)工程實踐經(jīng)驗和科研成果，在考慮了地震作用和地基的種種不利因素，并采用圓弧滑動面法進(jìn)行分析后可知，高層建筑地基整體穩(wěn)定安全系數(shù)隨基礎(chǔ)埋深增加而提高。”規(guī)范關(guān)于基礎(chǔ)埋深的相關(guān)規(guī)定，旨在保證建筑地基整體穩(wěn)定性。

考慮到建筑抗震設(shè)計規(guī)范中，建筑物抗震設(shè)防以“三個水準(zhǔn)”作為設(shè)防目標(biāo)，即實現(xiàn)建筑物“小震不壞、中震可修、大震不倒”為最終目的，結(jié)合地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范及抗震設(shè)計規(guī)范，當(dāng)建筑物基礎(chǔ)無埋深時，若建筑物基礎(chǔ)在小震及大震工況下，均能滿足抗傾覆、抗滑移的穩(wěn)定性驗算，則認(rèn)為該基礎(chǔ)設(shè)計滿足建筑地基整體穩(wěn)定性要求，并符合抗震設(shè)計關(guān)于建筑物“三個水準(zhǔn)”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

因地下室非全埋，無室外覆土約束，在水平力作用下，基底彎矩及剪力將直接由基樁承受。基底彎矩作用下，群樁一側(cè)受拉，一側(cè)受壓；剪力作用下，基樁在承臺作用下共同受剪。基礎(chǔ)力學(xué)模型簡化如圖3。

圖3 基礎(chǔ)受力模型圖

因此小震及大震工況下，若基樁均能承受相應(yīng)工況下的產(chǎn)生的最大水平剪力、拉力、以及壓力，則認(rèn)為該基礎(chǔ)設(shè)計可滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

4.3 基礎(chǔ)驗算

本文暫以大震工況下基礎(chǔ)受力驗算進(jìn)行分析。

4.3.1 基樁受壓驗算

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008），樁身抗壓強度：

考慮大震工況，fc取fck，fy取fyk，不考慮鋼筋折減系數(shù)，成樁工藝系數(shù)Ψc取0.8，則樁身抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值：

經(jīng)計算，大震工況下基樁最大壓力圖如圖4。

圖4 基樁受壓最大反力圖

基樁最大壓力約為12700kN，小于樁身抗壓強度，大震工況下基樁受壓驗算滿足要求。

4.3.2 基樁受拉驗算

不考慮混凝土抗拉強度，根據(jù)樁基規(guī)范，單樁抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值即為樁身鋼筋抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，Nt≤fykAS=400×4396=1758kN。經(jīng)計算，大震工況下基樁最大拉力圖如圖5。

圖5 大震工況基樁受拉最大反力圖

基樁最大拉力約為1100kN，小于樁身抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，大震工況下基樁受拉驗算滿足要求。

4.3.3 基樁抗剪驗算

根據(jù)樁基規(guī)范，對于樁身配筋率ρg≥0.65%的灌注樁，可按下列公式計算單樁水平承載力特征值：

大震工況下基樁抗剪承載力驗算滿足要求。

綜上，大震工況下，該基礎(chǔ)設(shè)計滿足地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范中關(guān)于整體穩(wěn)定性的要求。

5 結(jié)論

雖本項目高層建筑因沒有埋置深度，對其抗震性及整體穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的不利影響，但經(jīng)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計及采取必要的加強措施后，此類建筑亦能滿足相應(yīng)的安全性及抗震性，實際設(shè)計中采取的具體措施如下：（1）人為增設(shè)地下室側(cè)墻并使之圍合，減小開敞地下室的不利影響；（2）通過對大震工況下的樁基計算，保證其基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性；（3）加強頂板、底板的厚度及配筋率，并對頂板、底板高低差位置進(jìn)行加腋處理。