對(duì)地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響因素的探討
摘要:隨著建筑層數(shù)的日益增高,地下結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜化,地下工程的基坑支護(hù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工及防水等問(wèn)題逐漸成為建筑工程界關(guān)注的熱點(diǎn)。由于地下工程的施工環(huán)境特殊、隱蔽性大、涉及的工種多、施工復(fù)雜,也較容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題,因而設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮多方面因素，結(jié)合工程的具體情況進(jìn)行一些特殊的處理。本文探討了地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常遇到的一些問(wèn)題及其解決措施。
關(guān)鍵詞:地下室，平面設(shè)計(jì)，構(gòu)件設(shè)計(jì)，抗震設(shè)計(jì)，構(gòu)造措施，工程造價(jià)
引言
隨著城市土地資源的日益緊缺,建筑及城市交通逐步向地下發(fā)展,而高層建筑更由于其建筑功能和結(jié)構(gòu)本身的要求,大多需要設(shè)置單層或多層地下室。地下工程在整個(gè)建設(shè)項(xiàng)目中所占的比重也越來(lái)越大。由于地下工程材料消耗大、建造周期長(zhǎng)、施工難度大，因此地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性將會(huì)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)周期、施工工期以及工程造價(jià)等產(chǎn)生巨大的影響。另外，由于場(chǎng)地地基土層工程力學(xué)性質(zhì)的多樣性，地下室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜，主要涉及到的技術(shù)問(wèn)題有：基礎(chǔ)型式的選取和計(jì)算、地基承載力及變形計(jì)算、抗浮計(jì)算、不均勻沉降的解決措施、結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)所產(chǎn)生的裂縫問(wèn)題以及特殊地下室如人防地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等等問(wèn)題。這些技術(shù)問(wèn)題的解決方式對(duì)工程的造價(jià)問(wèn)題有很大的影響，先進(jìn)合理的技術(shù)能最大程度的降低工程的造價(jià)，使建設(shè)項(xiàng)目取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，而經(jīng)濟(jì)因素也在一定程度上制約著一些先進(jìn)技術(shù)的運(yùn)用和發(fā)展。因此，如何協(xié)調(diào)好技術(shù)與經(jīng)濟(jì)在建設(shè)工程中的相互關(guān)系，是每個(gè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該認(rèn)真考慮的。本文以地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要須解決的技術(shù)問(wèn)題為主線，結(jié)合具體的工程實(shí)例，簡(jiǎn)要分析地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問(wèn)題及其相互關(guān)系�！ �
1地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)問(wèn)題
1.1地下室平面設(shè)計(jì)
地下室工程涉及的專業(yè)極為復(fù)雜,在高層建筑的地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),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。地下室的平面尺寸，層高及柱跨也要結(jié)合各專業(yè)的具體要求確定，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)效果。例如地下室的平面尺寸超長(zhǎng)時(shí),須由結(jié)構(gòu)專業(yè)確定是否設(shè)置變形縫或采用其他的構(gòu)造措施以解決溫度裂縫問(wèn)題。因?yàn)樽冃慰p的設(shè)置會(huì)增加地下室防水處理的難度,所以通常應(yīng)盡可能少設(shè)或不設(shè)變形縫,而采用加強(qiáng)施工養(yǎng)護(hù)，設(shè)置后澆帶或膨脹加強(qiáng)帶及加強(qiáng)構(gòu)造配筋等措施，以減少溫度裂縫的產(chǎn)生，同時(shí)也達(dá)到較好的防水效果。若地下室過(guò)長(zhǎng),依靠以上措施仍難以解決,則設(shè)計(jì)人員應(yīng)合理地調(diào)整平面,將地下室分割成幾個(gè)較小尺寸的地下室,中間僅用較窄的通道相連,以滿足使用及管道相連的要求,并將變形縫設(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。另外，在滿足各專業(yè)使用要求的前提下，應(yīng)盡量減少地下室層高及采取經(jīng)濟(jì)柱跨，以降低工程造價(jià)。地下室平面設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)合理地設(shè)置采光通風(fēng)井,特別是高層建筑，若采光通風(fēng)井位置設(shè)計(jì)不當(dāng),例如在側(cè)壁外作附加通長(zhǎng)采光井,會(huì)造成該向地下室側(cè)限缺失,不能有效地將上部的水平力作用傳至側(cè)壁及周邊土層,達(dá)不到底層嵌固的計(jì)算假定，而須深挖以滿足高層建筑的埋深要求，從而增加工程造價(jià)。因此，合理的平面布置是結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理的前提。
1.2地下室構(gòu)件設(shè)計(jì)
地下室的構(gòu)件設(shè)計(jì)主要包括外墻，頂板,底板等部位的設(shè)計(jì)。各個(gè)部位的構(gòu)件應(yīng)根據(jù)其受力工況進(jìn)行強(qiáng)度及裂縫驗(yàn)算。地下室底板及外墻主要考慮水、土壓力及人防荷載的作用，而地下室頂板主要考慮覆土、施工荷載、消防車(chē)荷載及人防荷載的作用。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題:
(1)荷載。在地下室所受的荷載中,地下水壓力是比較重要的一項(xiàng),只有合理的確定設(shè)防水位,才能確保地下室的結(jié)構(gòu)安全,同時(shí)也避免增加不必要的工程造價(jià)。設(shè)防水位可根據(jù)地勘報(bào)告并結(jié)合場(chǎng)地地勢(shì)確定。地下室外墻所承受的土壓力應(yīng)為靜止土壓力，靜止土壓力系數(shù)可由試驗(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。另外，地面超載對(duì)外墻的作用也不能忽視。在人防地下室設(shè)計(jì)中，各部位人防構(gòu)件等效靜荷載的取值可根據(jù)現(xiàn)行人防設(shè)計(jì)規(guī)范確定，對(duì)于人防地下室底板，人防荷載的取值還與基礎(chǔ)形式和基底土層的性質(zhì)有直接的關(guān)系。在考慮了人防荷載的荷載組合計(jì)算中，材料的強(qiáng)度應(yīng)考慮材料強(qiáng)度綜合調(diào)整系數(shù)。
(2)計(jì)算模型。地下室頂板一般可采用井字梁板結(jié)構(gòu)，板格根據(jù)平面尺寸及支承形式，按不同荷載組合工況進(jìn)行強(qiáng)度及裂縫的分析計(jì)算。地下室底板可采用梁板結(jié)構(gòu)或無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)，按倒樓蓋模型進(jìn)行受力分析。無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)可采用板帶法或等代框架法。外墻一般承受水平荷載、豎向荷載及頂部節(jié)點(diǎn)荷載。水平荷載包括地面超載、側(cè)向水、土壓力和人防等效靜荷載等；豎向荷載包括上部及地下室頂板結(jié)構(gòu)傳遞來(lái)的荷載等；節(jié)點(diǎn)荷載主要是由于風(fēng)荷載或地震作用產(chǎn)生的水平剪力和彎矩。豎向荷載和節(jié)點(diǎn)荷載一般可由頂板結(jié)構(gòu)及外墻平面內(nèi)剛度承受，其內(nèi)力一般對(duì)外墻墻體的配筋不起控制作用，墻體配筋主要由垂直墻面的水平荷載產(chǎn)生的彎矩確定。因此，外墻一般采用上部鉸接，下部固接，承受梯形水平荷載的豎向單向板的計(jì)算模型，水平鋼筋僅為構(gòu)造配筋。而對(duì)于垂直于外墻方向有鋼筋混凝土內(nèi)隔墻相連的外墻板塊，則應(yīng)按雙向板計(jì)算配筋，否則水平鋼筋會(huì)偏小。地下室外墻計(jì)算時(shí),假定了底部為固定支座(即底板作為外墻的嵌固端),因此底板的抗彎能力應(yīng)不小于側(cè)壁的抗彎能力,其厚度及配筋量應(yīng)相匹配，以滿足該計(jì)算假定。這種情況在地下車(chē)道中最為典型,車(chē)道側(cè)壁為懸臂構(gòu)件,底板的抗彎能力應(yīng)不小于側(cè)壁底部的抗彎能力。
(3)構(gòu)造要求。作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端的地下室頂板，其砼強(qiáng)度等級(jí)不宜小于C30，并應(yīng)采用雙層雙向配筋，且每層每向的配筋率不宜小于0.25%。所有構(gòu)件迎水面鋼筋保護(hù)層厚度不應(yīng)小于50mm，且裂縫寬度不應(yīng)大于0.2mm。人防構(gòu)件的構(gòu)造要求還須滿足人防規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。
1.3地下室抗浮設(shè)計(jì)
地下室的抗浮設(shè)計(jì)也是一個(gè)必須加以重視的問(wèn)題�？垢≡O(shè)計(jì)包含兩個(gè)階段：地下室施工階段及正常使用階段。施工階段的抗浮設(shè)計(jì)往往被設(shè)計(jì)人員忽視。因此也常常出現(xiàn)施工過(guò)程由于地下水位的突然上升而引起地下室整體或局部上涌，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的工程事故。地勘報(bào)告提供的抗浮設(shè)計(jì)水位或常年水位及其變幅是地下室抗浮設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。對(duì)于上部有多層或高層塔樓的地下室，正常使用階段由于上部樓層的壓重作用，一般情況下抗浮問(wèn)題均能滿足，因此僅需要解決施工階段的水浮力作用。具體設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)水浮力大小確定能滿足壓重要求的樓層數(shù)，并要求施工過(guò)程進(jìn)行降水處理，待上部樓層施工到需要的層數(shù)后再停止降水。這樣就不必要單獨(dú)為施工階段設(shè)置抗浮措施（如設(shè)抗拔樁，抗拔錨桿等）而增加工程造價(jià)。對(duì)于上部無(wú)塔樓的純地下室，則須根據(jù)正常使用階段和施工階段中的最不利情況進(jìn)行抗浮計(jì)算，設(shè)置抵抗浮力的抗拔樁或抗拔錨桿等，以滿足地下室整體抗浮及局部抗浮的要求。地下室埋深越深，其所受的浮力也越大，因此，在滿足各專業(yè)要求的前提下，應(yīng)盡量減小地下室層高和埋深，才能較好的減少此方面的工程造價(jià)。
1.4地下室防水設(shè)計(jì)
地下室防水設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分重要的工作,其決定地下室的正常使用效果。在防水設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)工程的性質(zhì)、使用要求和重要性等合理確定防水等級(jí),根據(jù)防水等級(jí)確定防水層數(shù)。無(wú)論防水等級(jí)為幾級(jí),地下室混凝土都應(yīng)采用結(jié)構(gòu)自防水混凝土,防水混凝土的抗?jié)B等級(jí)應(yīng)根據(jù)水頭高度與混凝土壁的厚度比確定,不得人為地自行降低。根據(jù)防水等級(jí)的要求,建筑的地下室僅設(shè)一道防水混凝土是不能滿足要求的,一般應(yīng)做卷材防水。在選用防水卷材時(shí),應(yīng)考慮到地下室環(huán)境惡劣、無(wú)法更換的特點(diǎn),盡量選用耐久性好的卷材。防水卷材在地下室外側(cè)的各個(gè)部位均應(yīng)閉合,尤其應(yīng)重視節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如樁頭、承臺(tái)和積水坑等處,若構(gòu)造設(shè)計(jì)或施工不當(dāng),勢(shì)必會(huì)形成漏底之舟,失去卷材防水的意義。另外,為了防止少量滲水,便于地下室車(chē)道處積水的排放,地下室應(yīng)設(shè)排水明溝和集水坑。
1.5地下室抗震設(shè)計(jì)
一般工程進(jìn)行整體計(jì)算時(shí)，多假定以地下室頂板為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，因此地下室的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量滿足此計(jì)算假定的要求，否則計(jì)算模型將是錯(cuò)誤的，計(jì)算結(jié)果也是不可靠的。要作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，地下室周邊應(yīng)有足夠的側(cè)限，且相對(duì)于上部結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的剛度，一般樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的2倍，同時(shí)應(yīng)滿足規(guī)范要求的構(gòu)造措施，如地下室頂板應(yīng)采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，應(yīng)避免開(kāi)設(shè)大洞口，頂板厚不宜小于180mm等等。若地下室頂板無(wú)法滿足以上條件，則不應(yīng)作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算應(yīng)向下計(jì)算至滿足嵌固端要求的地下室樓層或底板。當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí)，塔樓投影范圍內(nèi)的地下一層抗震等級(jí)應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)相同，塔樓投影范圍外的地下室部分和地下一層以下的抗震等級(jí)可根據(jù)具體情況采用三級(jí)或更低等級(jí)。
1.6地下室的構(gòu)造措施
根據(jù)GB50108—2001《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》規(guī)定,防水結(jié)構(gòu)構(gòu)件厚度應(yīng)不小于250mm；裂縫寬度應(yīng)不大于0.2mm，并不得貫通；迎水面鋼筋保護(hù)層厚度應(yīng)不小于50mm。對(duì)于防水混凝土結(jié)構(gòu)底板的混凝土墊層,其強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)不小于C15,厚度不小于100mm,在軟弱土層中應(yīng)不小于150mm。工程實(shí)踐表明,若結(jié)構(gòu)厚度或迎水面鋼筋保護(hù)層厚度小于規(guī)范限值,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)滲漏水及鋼筋腐蝕的現(xiàn)象,因此,修訂以后的規(guī)范對(duì)該限值作了相應(yīng)的提高,在實(shí)際施工時(shí)應(yīng)引起注意。對(duì)于超長(zhǎng)地下室，除施工過(guò)程應(yīng)注意做好混凝土的養(yǎng)護(hù)外，設(shè)計(jì)可在受力較小的部位設(shè)置間距約為30m的后澆帶或添加防水抗裂劑形成膨脹加強(qiáng)帶等構(gòu)造措施，以減少溫度裂縫的產(chǎn)生。對(duì)于上部結(jié)構(gòu)各部分高度相差較大，而地下室為一整體的多塔樓結(jié)構(gòu)，可根據(jù)具體情況采取加強(qiáng)地下室整體剛度，不同高度結(jié)構(gòu)之間設(shè)置沉降后澆帶，各部分采取不同的基礎(chǔ)形式或基礎(chǔ)持力層等方式以減少不均勻沉降的影響�！ �
2工程實(shí)例
某工程上部結(jié)構(gòu)由5棟塔樓組成，其中3棟為28層的高層建筑，2棟為11層的小高層建筑，均落在一個(gè)單層6級(jí)人防地下室上。地下室平面尺寸約為50mX200m，大大超過(guò)了規(guī)范設(shè)縫的要求�？紤]到地下室頂板有較厚的覆土，以及設(shè)縫過(guò)多對(duì)地下室防水效果和使用功能的不利影響，地下室部分僅設(shè)置一道縫，將其分成兩個(gè)長(zhǎng)約100m的相對(duì)獨(dú)立的地下室，中間用通道連接。為滿足施工操作要求，縫寬約為1.2m,待地下室外墻防水施工完畢后再用級(jí)配砂石分層回填密實(shí)，以確保地下室的側(cè)限要求。另外，地下室頂板，底板，墻體均設(shè)置間距約為30m的后澆帶，且在直接與水土接觸的部位的砼中按一定配比添加防水抗裂劑。再考慮到各塔樓和單層地下室之間高度相差較大，為避免不均勻沉降的出現(xiàn)，塔樓部分采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，而單層地下室則采用整體性較好的筏板基礎(chǔ)，落在淺層中砂層上，同時(shí)，在不同基礎(chǔ)形式的各部分之間設(shè)置沉降后澆帶，并要求在主體封頂，沉降基本穩(wěn)定以后再進(jìn)行封閉。目前，本工程主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)完工，地下室部分未出現(xiàn)有較明顯的溫度和沉降裂縫，整體效果較為理想�！�
3結(jié)語(yǔ)
地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的問(wèn)題，涉及內(nèi)容繁多且復(fù)雜，有些問(wèn)題至今尚未得到很好的解決，如：地基與基礎(chǔ)的相互作用問(wèn)題、上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)地基基礎(chǔ)的影響等等�，F(xiàn)代高層建筑由于地下工程龐大，建設(shè)工程在地下的投資已經(jīng)接近甚至超過(guò)了地上，因此無(wú)論是從技術(shù)還是從經(jīng)濟(jì)的角度講都需要我們更深入地研究地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)問(wèn)題，提高設(shè)計(jì)水平，真正做到技術(shù)與經(jīng)濟(jì)同步、安全與適用協(xié)調(diào)�！�
