论文部分内容阅读
【摘要】本文主要就地下室结构设计中的几个问题进行了详细的分析，地下室的结构设计在整个建筑结构设计中是比较重要的一个环节，因为地下室的位置较为特殊，如果设计不当，对整个工程性能会产生较大影响，本文就此展开探讨。
【关键词】 地下室； 结构设计； 荷载； 外墙压力
一、前言
地下室的结构设计是关系到建筑物是否科学的重要标志之一。科学、合理的地下室结构设计方法，既能够对建筑物的稳定起到强化作用，还可以对工程造价带来实惠，所以十分有必要对地下室结构设计问题进行探究。
二、地下室设计难点概述
地下室涉及范围很广而且很复杂，其中建筑的地下室结构设计必须综合考虑防火、使用功能、人防要求、坑道、排水、通风、采光等各专业的配合。例如地下室的长度超过设计规定的长度时，需要与结构专业配合，确定是否设置变形缝，通常应尽可能少设或不设变形缝，因为设置变形缝会使得变形缝处的防水处理变得复杂。对于具有大底盘地下室的高层建筑群体而言，塔楼部分一般在使用阶段不会存在抗浮问题，但裙房及纯地下室部分经常会有抗浮不满足要求的问题。而且由于实际地下室抗浮设计中往往只考虑正常使用极限状态，对施工过程和洪水期重视不足，因而也会造成施工过程中由于抗浮不够而出现局部破坏； 顶板作为人防工程的重要部位，需要组合核爆炸力的等效静荷载； 侧墙则需考虑侧向的土、水的水平作用组合。加上地下室防水工程是一项系统性工程，涉及设计、施工、材料选择等诸多方面因素，因此造成了地下室结构设计难点繁多，一般来讲概括起来为： 结构平面设计； 抗震设计； 地下室抗浮、抗渗设计； 外墙结构设计。
三、建筑工程地下室结构设计应当注重的问题分析
1、抗渗抗浮设计
如果是在地下水位浅，或者在雨水相对较多的地区进行施工，那么，对于地下室层数为一到二层的建筑来讲，常规都要考虑到使用阶段的抗浮问题。纯地下室的部位，以及裙房部位有可能存有抗渗抗浮不符合要求的情况出现。均对这种实际情况，应当采取下面的几个措施来应对：
（1）在设计条件允许的前提下 ，尽可能地提高基坑底设计标高，这样可以起到降低抗浮设防水位的目的。高层建筑基础底板应当应用梁板筏板基础或者是平板阀板基础。
（2）倡导应用无梁楼盖与宽扁梁。常规宽扁梁截面高在跨度的十六分之一和二十二分之一中间。宽扁梁可以有效降低地下部分高度。这样，在降低抗浮水位上就占有一定的优势。
（3）强化抗渗抗浮设计的另一个有效办法是增大地下室自重。这个办法大体有三种情况：其一是基板加载，其二是边墙加载，其三是地下室的顶板加载。这种办法的特点是设计与施工都相对简单。
（4）设抗拔桩。此办法是抗渗抗浮设计加很常用的方法之一。抗拔均一般情况都要嵌入到埋藏浅嵌入坚硬的基岩之内。因为受施工条件和造价因素的制约，抗拔桩入岩一般不深，这就需要施工过程中对桩端进行灌浆处理。
2、抗震设计
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：
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%。
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。
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：
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。
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。
3、外墙设计
对于地下室外墙的结构设计，我们应当把重点放在土、水压力的计算上。在设计施工时应池注意下面的几点要求。
承载能力。地下室的外墙所要承受的压力来自水平和垂直两个方向。水平承载力包括地面荷载和侧面的土压力荷载。而垂直承载包括地下室以及上部楼盖传重和本身自重。实际上的工程设计当中，风荷载与垂直承载一般起不到控制作用。
四、结合具体案例进行分析
1、工程概况
某工程地上为二十一层的钢筋混凝土框架剪力墙结构，地下为二层结构，主要用途是停车库。建筑高度为71.8米，建筑设计使用年限为50年。该工程采用平板式筏板基础形式，桩型为预应力高强混凝土桩，桩端持力层为全风化岩。建筑抗震设计类别为丙类，工程所处地区的抗震设防烈度为 7度，设计基本地震加速度值为0.10g。框架和剪力墙的抗震等级均为二级，其中框支柱、框支梁为一级。裙楼结构部分的抗震等级与主体结构相同，仍为二级。地下室在平时主要作为停车库，战时则作为人防工程，人防等级设计为六级。
2、地下室设计
（1）地下室顶板设计
人防地下室的荷载取值。工程的地下室一层为人防地下室，所以对于本工程中的露天顶板要考虑到爆动荷载影响，但鉴于人防地下室顶板的爆动等效荷载要比消防车作用的板面等效荷载较大，因此人防地下室顶板的荷载按照六级人防顶板的等效荷载考虑，取为 60kN/㎡但在设计中不同时考虑这两种荷载的组合，仅需按人防爆动等效荷载进行地下室顶板计算。
（2）地下室侧壁设计
进行地下室侧壁设计时，侧壁主要考虑的荷载有：结构自重、地面堆载及活载、防核爆等效静荷载、侧向土压力、地下水压力等，由于侧壁受有多种荷载共同作用，受力较为复杂，为了简化计算，在设计中可作合理的简化。
本地下室工程的侧壁简化计算后，地下室一层的侧壁板厚取为 300mm，地下室二层的侧壁板厚取为400mm。
（3）地下室地板设计
地下室底板的结构布置应做到传力明确而且经济合理，一般适宜采用梁板式结构，这样有助于把地下室底板设计为双向板，有利于荷载均匀传递到周围的基础梁上。为了满足底板的抗渗要求，底板厚度取值不少于300mm。地下室底板的钢筋布置要合理。笔者认为，地下室底板同一方向的梁板面筋应布置在相同标高上，没必要把两个方向的板面筋布置在梁面筋以下。这是由于基础梁两个方向的面筋本身就存在高差，而若把底板双向的面筋都布置在基础面筋下，则会造成底板面筋的面筋保护层过大，造成窝顶情况出现。
五、结束语
尽管地下室结构设计问题是一项十分难以把握的课题，但只要掌握对了地下室结构设计的注意事项，掌握住了其中的设计要点，综合多方面统筹考虑，能够得到最为优化的地下室结构设计结果。
参考文献：
[1]徐建，等.建筑结构设计常见及疑难问题解析[M].北京： 中国建筑工业出版社，2013.
[2]建筑结构荷载规范（GB5009-2012）
[3]混凝土结构设计规范（GB50010-2010）
[4]阎红伟 柴万先 高层建筑地下室结构设计中的若干问题 [期刊论文] 《工业建筑》2013年10期
【关键词】 地下室； 结构设计； 荷载； 外墙压力
一、前言
地下室的结构设计是关系到建筑物是否科学的重要标志之一。科学、合理的地下室结构设计方法，既能够对建筑物的稳定起到强化作用，还可以对工程造价带来实惠，所以十分有必要对地下室结构设计问题进行探究。
二、地下室设计难点概述
地下室涉及范围很广而且很复杂，其中建筑的地下室结构设计必须综合考虑防火、使用功能、人防要求、坑道、排水、通风、采光等各专业的配合。例如地下室的长度超过设计规定的长度时，需要与结构专业配合，确定是否设置变形缝，通常应尽可能少设或不设变形缝，因为设置变形缝会使得变形缝处的防水处理变得复杂。对于具有大底盘地下室的高层建筑群体而言，塔楼部分一般在使用阶段不会存在抗浮问题，但裙房及纯地下室部分经常会有抗浮不满足要求的问题。而且由于实际地下室抗浮设计中往往只考虑正常使用极限状态，对施工过程和洪水期重视不足，因而也会造成施工过程中由于抗浮不够而出现局部破坏； 顶板作为人防工程的重要部位，需要组合核爆炸力的等效静荷载； 侧墙则需考虑侧向的土、水的水平作用组合。加上地下室防水工程是一项系统性工程，涉及设计、施工、材料选择等诸多方面因素，因此造成了地下室结构设计难点繁多，一般来讲概括起来为： 结构平面设计； 抗震设计； 地下室抗浮、抗渗设计； 外墙结构设计。
三、建筑工程地下室结构设计应当注重的问题分析
1、抗渗抗浮设计
如果是在地下水位浅，或者在雨水相对较多的地区进行施工，那么，对于地下室层数为一到二层的建筑来讲，常规都要考虑到使用阶段的抗浮问题。纯地下室的部位，以及裙房部位有可能存有抗渗抗浮不符合要求的情况出现。均对这种实际情况，应当采取下面的几个措施来应对：
（1）在设计条件允许的前提下 ，尽可能地提高基坑底设计标高，这样可以起到降低抗浮设防水位的目的。高层建筑基础底板应当应用梁板筏板基础或者是平板阀板基础。
（2）倡导应用无梁楼盖与宽扁梁。常规宽扁梁截面高在跨度的十六分之一和二十二分之一中间。宽扁梁可以有效降低地下部分高度。这样，在降低抗浮水位上就占有一定的优势。
（3）强化抗渗抗浮设计的另一个有效办法是增大地下室自重。这个办法大体有三种情况：其一是基板加载，其二是边墙加载，其三是地下室的顶板加载。这种办法的特点是设计与施工都相对简单。
（4）设抗拔桩。此办法是抗渗抗浮设计加很常用的方法之一。抗拔均一般情况都要嵌入到埋藏浅嵌入坚硬的基岩之内。因为受施工条件和造价因素的制约，抗拔桩入岩一般不深，这就需要施工过程中对桩端进行灌浆处理。
2、抗震设计
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：
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%。
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。
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：
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。
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。
3、外墙设计
对于地下室外墙的结构设计，我们应当把重点放在土、水压力的计算上。在设计施工时应池注意下面的几点要求。
承载能力。地下室的外墙所要承受的压力来自水平和垂直两个方向。水平承载力包括地面荷载和侧面的土压力荷载。而垂直承载包括地下室以及上部楼盖传重和本身自重。实际上的工程设计当中，风荷载与垂直承载一般起不到控制作用。
四、结合具体案例进行分析
1、工程概况
某工程地上为二十一层的钢筋混凝土框架剪力墙结构，地下为二层结构，主要用途是停车库。建筑高度为71.8米，建筑设计使用年限为50年。该工程采用平板式筏板基础形式，桩型为预应力高强混凝土桩，桩端持力层为全风化岩。建筑抗震设计类别为丙类，工程所处地区的抗震设防烈度为 7度，设计基本地震加速度值为0.10g。框架和剪力墙的抗震等级均为二级，其中框支柱、框支梁为一级。裙楼结构部分的抗震等级与主体结构相同，仍为二级。地下室在平时主要作为停车库，战时则作为人防工程，人防等级设计为六级。
2、地下室设计
（1）地下室顶板设计
人防地下室的荷载取值。工程的地下室一层为人防地下室，所以对于本工程中的露天顶板要考虑到爆动荷载影响，但鉴于人防地下室顶板的爆动等效荷载要比消防车作用的板面等效荷载较大，因此人防地下室顶板的荷载按照六级人防顶板的等效荷载考虑，取为 60kN/㎡但在设计中不同时考虑这两种荷载的组合，仅需按人防爆动等效荷载进行地下室顶板计算。
（2）地下室侧壁设计
进行地下室侧壁设计时，侧壁主要考虑的荷载有：结构自重、地面堆载及活载、防核爆等效静荷载、侧向土压力、地下水压力等，由于侧壁受有多种荷载共同作用，受力较为复杂，为了简化计算，在设计中可作合理的简化。
本地下室工程的侧壁简化计算后，地下室一层的侧壁板厚取为 300mm，地下室二层的侧壁板厚取为400mm。
（3）地下室地板设计
地下室底板的结构布置应做到传力明确而且经济合理，一般适宜采用梁板式结构，这样有助于把地下室底板设计为双向板，有利于荷载均匀传递到周围的基础梁上。为了满足底板的抗渗要求，底板厚度取值不少于300mm。地下室底板的钢筋布置要合理。笔者认为，地下室底板同一方向的梁板面筋应布置在相同标高上，没必要把两个方向的板面筋布置在梁面筋以下。这是由于基础梁两个方向的面筋本身就存在高差，而若把底板双向的面筋都布置在基础面筋下，则会造成底板面筋的面筋保护层过大，造成窝顶情况出现。
五、结束语
尽管地下室结构设计问题是一项十分难以把握的课题，但只要掌握对了地下室结构设计的注意事项，掌握住了其中的设计要点，综合多方面统筹考虑，能够得到最为优化的地下室结构设计结果。
参考文献：
[1]徐建，等.建筑结构设计常见及疑难问题解析[M].北京： 中国建筑工业出版社，2013.
[2]建筑结构荷载规范（GB5009-2012）
[3]混凝土结构设计规范（GB50010-2010）
[4]阎红伟 柴万先 高层建筑地下室结构设计中的若干问题 [期刊论文] 《工业建筑》2013年10期