建筑工程地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與探討

章萬勝 陳凱寧

摘要：在建筑工程的整體結(jié)構(gòu)中，地下室是其中一種較為重要的結(jié)構(gòu)。由于其所處位置在建筑物的最底部，即建筑的地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，所以，地下室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將是影響建筑整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及安全性的重要基礎(chǔ)。本文主要對建筑工程地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問題進(jìn)行了簡要分析。

關(guān)鍵詞：建筑工程；地下室；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；抗浮抗拔；裂縫控制；最小配筋率；抗震設(shè)計(jì)。

引言

建筑業(yè)作為支撐我國國民經(jīng)濟(jì)的三大巨頭產(chǎn)業(yè)之一，它在近幾年的發(fā)展極為迅速。就目前而言，在現(xiàn)代城市建筑中，高層建筑，甚至是超高層建筑已經(jīng)成為了城市建筑的主流，同時(shí)也躍升為城市的一種重要標(biāo)志。然而，隨著建筑樓層的不斷增高，其建筑工程可能存在的安全隱患也隨之得到了增多，尤其是地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在施工環(huán)節(jié)所埋下的安全隱患，更是造成高層建筑突然倒塌的罪魁禍?zhǔn)住Ｒ虼?，為了保證現(xiàn)代城市高層建筑的質(zhì)量及其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，相關(guān)的建筑施工人員必須把好地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量關(guān)，而對于某些需要修建地下室的高層建筑，還需要做好對其地下室工程的施工管理，合理、規(guī)范化其地下室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

一、地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)要求分析

地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包含幾個(gè)方向：一是主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括頂板、外側(cè)墻、底板等其它構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；二是孔口防護(hù)設(shè)計(jì)，包括出入口的防護(hù)和消波系統(tǒng)（防護(hù)設(shè)備）其中出人口的防護(hù)包含防護(hù)密閉門的選用、門框墻、臨空墻的計(jì)算，出人口通道（包括風(fēng)井）的計(jì)算等幾個(gè)方面，而消波系統(tǒng)則包含防爆破活門的選用和擴(kuò)散室（箱）的設(shè)計(jì)。三是地下室是否與上部結(jié)構(gòu)一起計(jì)算對于計(jì)算結(jié)果影響較大，其底板經(jīng)常同時(shí)作為結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，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(cè)向的土、水的水平作用組合?？傊叵率业慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可按整體設(shè)計(jì)和構(gòu)件的單獨(dú)設(shè)計(jì)分別進(jìn)行。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性可以降低，一般建筑結(jié)構(gòu)（延性破壞）失效概率為6.8%，而地下室結(jié)構(gòu)（延性破壞）失效概率為6.1%，需考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件可考慮進(jìn)人塑性工作狀態(tài)，材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度可以提高。在快速加載的情況下，材料力學(xué)性能發(fā)生比較明顯的變化。主要表現(xiàn)為強(qiáng)度提高，但變形性能包括塑性性能等基本不變，這對結(jié)構(gòu)工作起到有利作用。例如鋼材強(qiáng)度可提高1.1～1.5倍，對砼強(qiáng)度可提高1.5倍，這是在設(shè)計(jì)中考慮材料強(qiáng)度綜合調(diào)整系數(shù)來完成的，重視構(gòu)造要求。地下室設(shè)計(jì)的許多構(gòu)造要求與一般的建筑設(shè)計(jì)不同，要求更為嚴(yán)格，故僅只考慮受力計(jì)算，不考慮構(gòu)造措施是不合理的。

二、結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)

地下室工程涉及的專業(yè)極為復(fù)雜，高層建筑的地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需綜合考慮防火、使用功能、人防要求、設(shè)備用房及管道、坑道、排水、通風(fēng)、采光等各專業(yè)的配合。例如地下室的長度超過設(shè)計(jì)規(guī)定的長度時(shí)，需要與結(jié)構(gòu)專業(yè)配合，確定是否設(shè)置變形縫，通常應(yīng)盡可能少設(shè)或不設(shè)變形縫，因?yàn)樵O(shè)置變形縫會(huì)使得變形縫處的防水處理變得復(fù)雜。

設(shè)計(jì)人員可以通過設(shè)置后澆帶和合理使用混凝土外加劑或地上設(shè)縫、地下不設(shè)縫等方式，達(dá)到不設(shè)縫的目的。若地下室過長，依靠設(shè)置后澆帶的方法難以解決，設(shè)計(jì)時(shí)可合理地調(diào)整平面，通過分割地下室，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(shè)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(bǔ)救。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理地設(shè)置采光通風(fēng)井，若采光井位置設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)影響地下室的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定功能。

三、抗?jié)B抗浮設(shè)計(jì)與抗浮設(shè)計(jì)

如果是在地下水位淺，或者在雨水相對較多的地區(qū)進(jìn)行施工，那么，對于地下室層數(shù)為一到二層的建筑來講，常規(guī)都要考慮到使用階段的抗浮問題。純地下室的部位，以及裙房部位有可能存有抗?jié)B抗浮不符合要求的情況出現(xiàn)。均對這種實(shí)際情況，應(yīng)當(dāng)采取下面的幾個(gè)措施來應(yīng)對：

1、在設(shè)計(jì)條件允許的前提下，盡可能地提高基坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高，這樣可以起到降低抗浮設(shè)防水位的目的。高層建筑基礎(chǔ)底板應(yīng)當(dāng)應(yīng)用梁板筏板基礎(chǔ)或者是平板閥板基礎(chǔ)。

2、倡導(dǎo)應(yīng)用無梁樓蓋與寬扁梁。常規(guī)寬扁梁截面高在跨度的十六分之一和二十二分之一中間。寬扁梁可以有效降低地下部分高度，確保建筑功能所需空間。這樣，在降低抗浮水位上就占有一定的優(yōu)勢。

3、強(qiáng)化抗?jié)B抗浮設(shè)計(jì)的另一個(gè)有效辦

法是增大地下室自重。這個(gè)辦法大體有三種情況：其一是基板加載，其二是邊墻加載，其三是地下室的頂板加載。這種辦法的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)與施工都相對簡單。但是不足之處在于當(dāng)建筑物需要抵擋較大的浮力時(shí)，因?yàn)榛炷梁拖嚓P(guān)的增重材料需求量太大，而使施工費(fèi)用增加。

4、設(shè)抗拔樁

此辦法是抗?jié)B抗浮設(shè)計(jì)加很常用的方法之一?？拱尉话闱闆r都要嵌入到埋藏淺嵌入堅(jiān)硬的基巖之內(nèi)。因?yàn)槭苁┕l件和造價(jià)因素的制約，抗拔樁入巖一般不深，這就需要施工過程中對樁端進(jìn)行灌漿處理。若上覆土層厚度太大，抗拔樁進(jìn)不到基巖處，那就需要在樁下部設(shè)擴(kuò)大頭，提高抗拔樁的抗拔能力。

四、地下室外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地下室外墻的設(shè)計(jì)是整個(gè)建筑工程地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對整個(gè)建筑工程地下室結(jié)構(gòu)的合理性有著十分重要的影響。在設(shè)計(jì)時(shí)候，要綜合考慮到水，土壓力因素，并通過這些因素來驗(yàn)算外墻的抗裂性能。總體而言，要在綜合考慮多種因素的基礎(chǔ)上，從以下幾個(gè)方面做出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。

1、荷載

地下室外墻在整體的荷載中占據(jù)著重要地位，其承受的荷載總體而言分別有水平荷載和來自建筑主體和地下室樓蓋的傳重和自重的豎向荷載。地下室外墻水平的荷載一般都包括側(cè)向的土壓力，地下水側(cè)向壓力等。在地下室外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，豎向荷載和地震等作用所產(chǎn)生的內(nèi)力一般而言不會(huì)起到控制的作用，在此過程中，要充分重視水平荷載，當(dāng)水平荷載垂直于墻面時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生彎矩，這對墻體的配筋有著十分重要的意義。

2、地下室外墻截面設(shè)計(jì)

土壓力+水壓力引起的效應(yīng)為永久荷載效應(yīng)。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(yàn)確定。當(dāng)不具備試驗(yàn)條件時(shí)，砂土可取0.34～0.45，黏性土可取0.5～0.7。水位穩(wěn)定的水壓力按永久荷載考慮，分項(xiàng)系數(shù)可取1.2；水位急劇變化的水壓力按可變荷載考慮，分項(xiàng)系數(shù)宜取1.3。有人防要求的地下室外墻的永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時(shí)取1.2，有利時(shí)取1.0；抗爆等效靜荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0。

3、地下室外墻的配筋計(jì)算

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，配筋的計(jì)算，對于帶扶壁柱的外墻，不是根據(jù)扶壁柱的尺寸大小進(jìn)行計(jì)算，而是均按雙向板計(jì)算配筋；扶壁柱則按地下室結(jié)構(gòu)的整體電算分析結(jié)果進(jìn)行配筋，不按外墻雙向板傳遞荷載驗(yàn)算扶壁柱配筋。根據(jù)外墻與扶壁柱變形協(xié)調(diào)的原理，這種設(shè)計(jì)將使得外墻豎向受力筋配筋不足、扶壁柱配筋偏少、外墻的水平分布筋則有富余量。外墻的配筋計(jì)算因根據(jù)地下室水位情況，必要時(shí)應(yīng)以裂縫控制，保證地下結(jié)構(gòu)的自防水性能。

3、地下室底板、頂板的配筋計(jì)算

地下室底板一般較厚，設(shè)計(jì)為整體等厚的混凝土筏板，設(shè)計(jì)荷載為側(cè)墻的和柱傳遞的垂直和水平荷載以及內(nèi)墻和柱傳導(dǎo)的垂直和水平荷載，一般將地下室底板和樁承臺(tái)頂板合而為一，進(jìn)行整體計(jì)算，考慮底板的抗彎、抗剪、抗沖切，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范規(guī)定的數(shù)據(jù)后，還要復(fù)核是否滿足規(guī)范規(guī)定的最小配筋率指標(biāo)，只有這樣才能做到設(shè)計(jì)萬無一失。

地下室頂板的配筋計(jì)算相對簡單一點(diǎn)，在布置好的梁板結(jié)構(gòu)前提下，可以通過現(xiàn)有的計(jì)算軟件，如建研院開發(fā)的PM/PK軟件，輸入相應(yīng)的荷載，截面幾何參數(shù)后，很快得出需要的梁、板配筋以及其他結(jié)構(gòu)計(jì)算需要關(guān)注的參數(shù)，如撓度、裂縫等。

五、地下室的抗震設(shè)計(jì)

地下室抗震設(shè)計(jì)應(yīng)以《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高層建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》以及《地基基礎(chǔ)規(guī)范》為依據(jù)，確定好地下室的結(jié)構(gòu)尺寸及其埋深。如果地下室的設(shè)計(jì)存在缺陷，就會(huì)對對整個(gè)高層建筑的抗震性能產(chǎn)生很大的影響。多層建筑中地下室的埋深必須大于地下室上地面總的高度，這樣才能不計(jì)算層數(shù)，總的高度才能夠從室外地面開始算。上部分結(jié)構(gòu)的墻柱應(yīng)該和地下室的墻柱結(jié)構(gòu)相一致。地下室的頂板板面標(biāo)高有變化的，如果形成錯(cuò)層，超過了梁高的范圍，則必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┨幚?，否則將影響地下室的設(shè)計(jì)。地下室的設(shè)計(jì)規(guī)范指出，上部結(jié)構(gòu)的地下室的樓層的頂層，蓋應(yīng)當(dāng)用梁板的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)向下，直到地下室的樓層或者樓板。

結(jié)束語

隨著建筑層數(shù)的日益增高，地下結(jié)構(gòu)已向多層發(fā)展，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工及防水等日益成為建筑工程界關(guān)注的熱點(diǎn)。只要把握設(shè)計(jì)要點(diǎn)，抓住設(shè)計(jì)重點(diǎn)，以合理的設(shè)計(jì)為前提，進(jìn)行全面考慮，才能使建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作發(fā)揮其最大的經(jīng)濟(jì)作用和社會(huì)效益、戰(zhàn)略效益。

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