浅论高层建筑地下室结构设计

王海磊

摘要：本文作者對高层建筑地下室结构的设计进行了简单的分析，供大家参考借鉴。

关键词：高层建筑；地下室结构设计

1 地下室的设计

高层建筑地下结构设计是一个复杂的过程，地下室与基础设计的合理与否直接影响高层建筑的正常使用与造价，因此，设计时既要满足功能要求、安全可靠、经济合理，又要满足地下室结构抗渗的特殊要求。

1.1 基础的选型

1.1.1 《高层建筑混凝土结构设计规程》（JGJ3-2010）12.1.2条规定，高层建筑的基础设计，应综合考虑建筑场地的工程地质和水文地质状况、上部结构的类型和房屋高度、施工技术和经济条件等因素，使建筑物不致发生过量沉降或倾斜，满足建筑物正常使用要求；还应了解邻近地下构筑物及各项地下设施的位置和标高等，减少与相邻建筑的相互影响。

1.1.2 基础形式应选用整体性好，能满足地基承载力和建筑物容许变形的要求，并能调节不均匀沉降，达到安全实用和经济合理的目的。

1.2 抗浮设计

1.2.1 《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）3.0.2条6规定建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算。3.0.4条规定，岩土工程勘察报告应提供用于计算地下水浮力的设防水位。

1.2.2 《建筑结构荷载规范》GB5009-2001（2006年版）3.2.5条3对结构的倾覆、滑移或漂浮验算应按有关的结构设计规范的规定采用。

抗浮验算时永久荷载的分项系数取值，各地区可能与《建筑结构荷载规范》不同，当有地区标准按当地的标准，无地区标准则按《建筑结构荷载规范》。验算建筑物抗浮能力必须满足：

（建筑物永久荷载/水浮力）≥1.0。

1.2.3 当抗浮设计水位较高，裙房满堂地下室或地下车库需要采用抗浮措施时，应按工程具体情况区别对待。如果裙房满堂地下室或地下车库是独立建筑，与高层主楼基础没有连接成整体，并有一定距离不会因差异沉降造成影响时，抗浮措施可以根据经济技术比较采用：抗浮锚杆、抗拔桩或压重等方法；如果高层主楼基础与裙房满堂地下室或地下车库连接成整体，均采用桩基，通常抗浮可采用抗拔桩的方法来解决，这几年预应力管桩应用也比较普遍，可以节约桩基成本大约15%，提高桩基工期大约10%；如果高层主楼基础与裙房满堂地下室或地下车库连接整体，并且高层主楼采用的是天然地基预估有若干沉降量，裙房或地下车库抗浮宜采用压重（采用素混凝土，重度不小于30KN/M2钢渣混凝土或砂石料）方法，不宜采用抗拔桩或抗浮锚杆，否则必将与高层主楼之间形成差异沉降而造成底板开裂的影响，尤其如北方很多城市的抗浮设计水位由于考虑南水北调提供的较高，但实际地下水位目前而言都是非常低的，如果抗浮采用抗拔桩或抗浮锚杆，裙房或地下车库与主楼间基础沉降差异将是非常突出的问题。

1.3 建筑物上部结构、地下室、地基的相互作用关系

1.3.1 高层建筑的基础上部整体连接着层数很多的框架、剪力墙结构，地下室四周很厚的挡土墙又紧贴着有效侧限的密实回填土，下部又连接着沿深度变化的地基。无论在竖向荷载还是水平荷载的作用下，它们都会有机的共同作用，相互协调变形。尽管在这方面的设计计算理论仍不够完善，但如果仅仅把基础从上部结构和下部地基的客观边界条件中完全隔离出来进行计算，是根本无法达到真正设计要求的目的。

1.3.2 无论是采用箱基还是筏基，诸多工程的实测都显示；底板的整体弯曲率都是很小的，往往都不到万分之五。有一些高层建筑箱形基础的实测值都仅在（0.16～3.14）×10-4之间。我国测得的筏底板钢筋应力一般都在20～30N/mm2之间，只有钢筋强度设计值的十分之一，个别内力较大的工程也几乎没有超过70N/mm2。

2 深层水泥搅拌桩高低截面围护结构设计

2.1 桩墙截面尺寸

尽量利用场地有限的宽度，同时考虑钻机施工的可能性，确定高桩桩墙的宽度。已定高桩的宽度应满足安全要求，若计算的宽度也不能满足安全要求，必须加设低桩。低桩长度即为高桩在坑底以下的入土深度，一般为基坑深度的 0.8～1.2 倍；低桩桩墙宽度应满足高低桩墙整体的抗倾覆、抗滑移及整体稳定性要求，计算中将桩墙向坑内转动的原点定为低桩底部的内角点。

2.2 加强高桩悬臂部分的抗弯、抗剪能力

高桩与低桩的截面分界处，因桩墙截面削弱，应予以加强，以增强高桩的抗弯、抗剪能力。

2.3 搅拌桩布置

搅拌桩采用格栅式布置，部分位置回填土中难以格栅成桩而采用满布。

2.4 搅拌桩

搅拌桩采用 425# 普通水泥，掺量 13%。搅拌桩施工顺序应从低桩到高桩，若反向施工，在低桩施工时，因低桩在坑底以上段不喷浆，搅拌桩相互交接会削弱高桩截面。

3 抗震要求

地下室如果设计不当，对整体抗震性能会产生较大影响。一般结构中的地下室，其顶板高出室外地坪的高度不应大于本层地下室层高的1/3，否则，该层地下室只能作为半地下室或地上一层进行建模分析计算，此时，即使该层地下室的楼层侧向刚度大于相邻上层刚度的2倍也不宜作为上部结构的嵌固部位；

《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010中6.1.14 地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，应符合下列要求：

3.1 地下室顶板应避免开设大洞口；地下室在地上结构相关范围的顶板应采用现浇梁板结构，相关范围以外的地下室顶板宜采用现浇梁板结构；其楼板厚度不宜小于180mm，混凝土强度等级不宜小于C30，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。

3.2 结构地上一层的侧向刚度，不宜大于相关范围地下一层侧向刚度的0.5倍；地下室周边宜有与其顶板相连的抗震墙。

3.3 地下室顶板对应于地上框架柱的梁柱节点除应满足抗震计算要求外，尚应符合下列规定之一：

3.3.1 地下一层柱截面每侧纵向钢筋不应小于地上一层柱对应纵向钢筋的1.1倍，且地下一层柱上端和节点左右梁端实配的抗震受弯承载力之和应大于地上一层柱下端实配的抗震受弯承载力的1.3倍。

3.3.2 地下一层梁刚度较大时，柱截面每侧的纵向钢筋面积应大于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍；同时梁端顶面和底面的纵向钢筋面积均应比计算增大10%以上；4 地下一层抗震墙墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积，不应少于地上一层对应墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积。

嵌固端的选取直接影响造价经济性，例如强制要求多层剪力墙结构的非人防地下室顶板作为上部结构的嵌固部位进行设计时，经济性指标较差，在北京市建筑设计研究院编写的《建筑结构专业技术措施》第5.4.4条第1、2款规定：多层剪力墙结构嵌固部位一般取基础顶面；多层剪力墙结构底部加强部位宜取基础以上至首层顶，当地下室超过一层时，可取地下一层和首层。

4 结束语

地下室的结构设计是一个综合性很强的问题，涉及内容繁多且复杂，有些问题至今尚未得到很好的解决，如：地基与基础的相互作用问题、上部结构刚度对地基基础的影响等等。现代高层建筑由于地下工程庞大，建设工程在地下的投资已经接近甚至超过了地上，因此无论是从技术还是从经济的角度讲都需要我们更深入地研究地下室结构设计的技术问题，提高设计水平，真正做到技术与经济同步、安全与适用协调。

参考文献：

[1] 庄致来，莫勇.地下室结构设计工程中常见问题分析及对策[J].中国新技术新产品. 2010，（09）.

[2] 王仙蔚，李晓雷.高层建筑地下室结构的设计要点[J].低温建筑技术. 2011，（07）.