某項目地下室結構設計研究

金霄

（廣州市設計院集團有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

高層建筑地下室在設計過程中，除了需要合理的建筑功能布局，更需要合理完善的結構設計，由于市場對工程質量，工程造價控制的要求日益增高，對使用功能的合理性更為看重，地下室結構設計難度進一步增加，若不注意設計過程中的細節，容易帶來工程造價增加但工程質量仍難以保證的問題。由此可見，進行高層建筑地下室結構設計研究非常必要。

1 地下室結構設計的特點與難點

1.1 特點

高層建筑地下空間規劃設計不僅涉及常規要求，而且還要滿足功能性需要。結合當前來看，在進行結構體系規劃設計的過程中，需要全盤考慮，通過一系列的計算分析，保障地下室結構的安全性，確保荷載能夠通過構件完成傳遞，防止產生嚴重的結構安全問題。按彈塑性工作的過程中還需要對構件進行詳細研究。由于此方面設計工作極易影響結構的安全性與穩定性，因此技術人員需要先在前期使構件進入塑性工作狀態，盡可能地強化結構質量，使材料可以最大程度地發揮總價值，保障企業經濟效益。此外，還需進行爆炸動荷載設計，并強化對抗震性能的關注，有效提升抗坍塌水準，提高結構的安全性。

1.2 難點

地下室結構設計工作難度較高、范圍內容更廣。通常情況下，在進行地下室結構設計時，應該盡量避免變形縫規劃，之所以這樣操作是因為若是設置變形縫則極易影響整個結構的防水效果，會加大后期防水處理的難度。與此同時，對于大底盤高層建筑地下室規劃設計來講，塔樓層數較多，自重較大，一般情況下不易存在抗浮問題，但是地下室卻經常會由于抗浮因素產生諸多影響。在此基礎上，由于在進行地下室規劃的過程中多數工作人員只會關注極限狀態下的使用情況而忽略了洪水期的問題，以至于高層建筑在設計施工的過程中極易產生抗浮能力不足等局部坍塌問題，這也加大了設計方面的難度，要求應該按照設計流程逐一分析，確保抗浮設計水準。除此之外地下室還是人防工程的重點區域，所以設計中還要考慮爆炸動荷載設計。總而言之，地下室防水也是基礎工程內容的重要環節，涉及多方面因素，因此在設計、材料選擇等方面還要綜合性研究，以此保障設計的整體水準，減少返工等情況的產生。

以下將以某項目為例，結合實際項目的情況，與諸位進行分享。

2 工程概況

本項目位于東莞市虎門高鐵站旁，基地東接白沙南路，南接莞太路。項目規劃總用地面積為248186.3 m2，總建筑面積為248186.3m2。地下2 層，底板面標高為-11.00m；結構在±0.000 以上通過防震縫分開：29 號辦公塔樓及30 號辦公塔樓采用框架－核心筒結構，地上均為47 層，主屋面高度均為189.700m；商業裙樓采用框架結構，地上共6 層，主屋面高度為28.2 m。地上裙樓31 號商業樓及34 號商業樓采用框架結構，地上均為6 層，主屋面高度均為28.200m。地上裙樓部分為A 級高層建筑，辦公部分為B 級高度建筑，耐火等級為一級。建筑設計使用年限為50 年。根據《建筑工程抗震設防分類標準》（GB 50223—2008），兩棟商業裙樓的抗震設防分類為按重點設防類（乙類），而地下室及兩棟辦公塔樓的抗震設防分類均為標準設防類（丙類）[1]。

3 基礎設計概況

3.1 工程地質與水文條件

3.1.1 工程地質條件

場地位于本項目位于東莞市虎門高鐵站旁，基地東接白沙南路，南接莞太路。場地地貌單元屬珠江三角洲河流沖積平原，現狀為荒地、果林、停車場等。場地內第四系為全新統（Q4），由人工填土（Q4ml）、湖積層（Q4l）、沖洪積層（Q4al+pl）及第四系殘積土層（Qel）組成。本工程場地地層情況如表1 所示。

表1 地層情況

3.1.2 水文地質概況

本場地范圍地表無水系發育，場地周邊也無河流經過，該場地距離最近河流為東莞運河，距離約2.7km，對該項目影響小。在經過勘察后得知，各鉆孔均見地下水，測得地下水初見水位最大埋深為5.1m，最小埋深為0.6m，標高為8.12～14.05m；穩定水位最大埋深為4.9m，最小埋深為1m。大氣降水是工程所在地區地下水補給的主要來源，而排泄方式主要以大氣蒸發和徑流為主，地下水位受季節的影響顯著。大部分賦存于基巖風化裂隙中的裂隙水為承壓水，其補給主要是在補給區進行，或通過側向地下逕流補給；排泄方式主要表現為以地下逕流方式向下游排泄，地下水位較為穩定。在工程所在地，埋藏地下水的主要類型分別為基巖裂隙水和孔隙水，砂層地下水與地表水聯系較強，基巖裂隙水埋深較大，與地表水聯系弱；砂層主要為中等透水、富水性較貧乏。地下水和地表土對混凝土結構及鋼筋混凝土結構中的鋼筋均具有微腐蝕性。

3.1.3 場地地震效應及地震動參數

根據《建筑抗震設計規范》及《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015），本工程的抗震設防烈度為Ⅶ度，地震設計分組為第一組，設計基本地震加速度值為0.10g。根據本次勘察結果，建筑場地類別為Ⅱ類，地震動反應譜特征周期為0.35s。

3.2 基礎選型

根據本工程地質勘查報告的結果，在基礎形式選擇方面，采用鉆（沖）孔灌注樁，樁端持力層為中風化巖層，巖石單軸抗壓強度標準值如下：frk=12MPa，；塔樓部分，外框柱采用單柱單樁，核心筒采用多樁承臺，樁基礎樁徑采用2.3m、2.2m、2.1m，單樁抗壓承載力特征值為43000~52000kN；裙樓及純地下室區域采用單柱單樁，承壓兼作抗拔樁，樁基礎樁徑采用1.0~1.6m，單樁抗壓承載力特征值為7100~18000kN，單樁抗拔承載力特征值為1200~7000kN。樁基礎之間設置防水板，板厚為600mm。

4 結構設計注意事項

地下室建筑功能復雜，大大小小的設備機房多數集中在地下室，在地下室結構設計的過程中需站在宏觀的角度，結合建筑使用功能，優化柱網布置，細化荷載，合理布置保證凈高，考慮人防的設計使用需求，嚴格執行規范的規定，以下分享地下室設計過程中的一些要點和注意事項。

（1）基礎與底板設計。

（2）嵌固端選取與抗震等級選定。抗震設計是結構設計中的重中之重，若未設計得當，對整體的抗震性能極為不利。首先是嵌固端的選取，基于本項目地下室頂板未存在大開洞的情況，且地下室頂板各條件滿足嵌固端的要求，故本項目嵌固端選取為地下室頂板。當地下室頂板作為上部結構的嵌固部位時，地下一層的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[2]。

（3）結構形式及梁板構造加強措施。地下室頂板作為嵌固端，按規范要求不宜采用無梁樓蓋，故采用梁板結構。嵌固端室內樓板厚度為180mm，室外為250mm，并采取雙層雙向配筋且單層單方向的配筋率不小于0.25%[3]。梁端范圍內梁端（頂面和底面）的縱向鋼筋，實配值相較計算值，均放大10%。

（4）豎向構件構造加強措施。應存在關系地下一層柱截面每側縱向鋼筋實配值1.1 倍首層對應縱向鋼筋實配值。

（5）地下室外墻計算。為保證地下室結構的安全性，在地下室外墻設計工作中，樓梯間、車道等部分的外墻與一般地下室外墻的支撐條件、計算、設計方式存在一定的差別。具體來說，首先，若地下室樓梯間、車道等結構的頂板標高不一致，那么在開展外墻設計時，應注意外墻上部支座水平力的傳遞問題。其次，地下室外墻底部的固定支座為地下室底板，側壁底部彎矩與相鄰的底板彎矩大小需保持一致，那么在計算時，應保證底板的抗彎能力大于或等于側壁，即在進行地下室外墻設計時，應保證底板的厚度和配筋量與外墻底部相匹配。地下室結構設計過程中，最典型的案例為車道側壁，較多車道側壁會存在懸臂構件的情況，故設計時需特別留意底板的抗彎能力不應小于側壁底部。

（6）后澆帶的設置。由于地下室整體超長，且施工期間溫差大等原因，按30~40m 的間距設置貫通頂板、底板及墻板的1000mm 寬后澆帶，后澆帶設置基本與梁正交，沿豎向設置于結構同跨內，澆筑時采用提高一級混凝土強度的無收縮混凝土進行澆筑，低溫入模。地下室結構后澆帶設置如圖1 所示。

圖1 地下室結構后澆帶設置

（7）保護層和墊層厚度。本項目底板厚度采用600mm，同時按規范要求將迎水面鋼筋保護層厚度設置為50mm，裂縫寬度則控制在0.2mm 之內。結構底板下設置混凝土強度為C15，厚度100mm 的混凝土墊層[4]。

（8）溫度應力。本項目對溫度應力參數的考慮為：結構初始溫度為20~30℃，混凝土結構溫度效應折減系數取0.3。溫度作用與重力荷載組合，溫度作用的組合值系數取0.6。對于室內混凝土結構樓面考慮降溫20℃，以及混凝土收縮等效降溫10℃考慮；升溫按照升溫30℃考慮。根據實際情況分析，除洞口周邊應力集中現象較明顯，室內混凝土結構僅在支座處產生一定的應力集中，除這些區域外，其他區域均不超過混凝土材料的抗拉強度設計值2.20N/mm2。因此，為抵抗溫度作用，大跨、大跨內沿一跨及開洞周邊樓板設置雙層雙向通長筋拉通，且每層每個方向配筋率均要符合規范要求，即大于等于0.25%。此外，在樓板應力集中處增設附加筋[5]。通過以上措施，改善溫度作用對主體結構的影響。

（9）地下水位與抗浮設計。在設計過程中，應將地下水位及變幅作為基準，通常情況下，在設計階段，部分設計人員僅依據正常使用下的極限狀態，缺乏對施工過程和洪水期的關注，導致抗浮設計考慮不周，使工程出現各類質量問題。此外，由于部分工程，地表建筑由高層和低層組成，且形狀規則性較差，再加上部分地下室上方沒有建筑，使抗浮問題的處理難度加大，需要對此類問題展開詳細的分析。依據相關地勘報告提供的水位數據，本項目設計水位取至室外地坪標高。地下室頂板上方有建筑物的區域，采用結構自重配合抗拔樁的設置，地下室頂板上方無建筑物的區域，采用結構自重、室外覆土配合抗拔樁的設置，以達到抗浮的目的。地下室結構設計中抗浮設計流程如圖2 所示。

圖2 地下室結構設計中抗浮設計流程

5 結語

綜上所述，對于高層建筑的地下室結構設計，需格外重視規范相關條文的執行，并綜合考慮建筑使用功能及防水的處理，萬丈高樓平地起，高層建筑的底盤才是拔地而起的基石，需要在結構設計階段全盤考慮，綜合分析，嚴謹計算，以此確保結構設計的安全、可靠、穩定性。