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【摘要】本文首先对常见的几种主要的地下结构抗震设计方法进行介绍，进而对地下室对于高层建筑埋深问题的重要作用进行分析，从而从结构上对设计技术进行分类介绍，以便更好地对高层建筑地下室结构的抗震设计进行阐述。
【关键词】高层建筑；地下室；结构设计；抗震
中图分类号：TU208文献标识码： A
一、前言
随着各类高层建筑的不断建设，人们对于高层建筑的抗震设计更加关注，而要想保障整个建筑的抗震能力，就必须从地下室结构设计上入手，进而提高整栋建筑的抗震能力。
二、几种主要的地下结构抗震设计方法
1.静力法
把地震作用当作等效的静力荷载进行抗震计算。它通常应用于地下管线、洞道的横截面抗震设计，它把地震时的土压力和结构物以及结构物以上覆土层作为外力考虑。这种方法的缺陷在于没有考虑土层与结构各自的振动特性及其相互间的关系。
2.反应位移法
70 年代，日本学者从地震观测入手， 提出了地下线状结构抗震设计的反应位移法。其基本原理就是用弹性地基梁来模拟地下现状结构，把地震时地基的位移当作已知条件作用在弹性地基上，以求解在梁上产生的应力和变形，从而计算地下结构( 隧洞、管道、竖井等)地震反应，公式可以简化为拟静力计算公式，K{U} = Ks{Ug} 。式中的矩阵K 包括地下结构的刚度Kt 和地基抗力Ks。本方法的关键是确定地基变位{Ug} 和抗力系数Ks，通常将Ks 取为对角阵，则Ks 相当于文科尔弹簧常数或地基土介质的弹簧常数。这种方法的理论基础是基于地震时支配地下结构地震反应的地基变形而不是结构物的惯性力。近年来，大多数地下结构，尤其是地下管线都把这种方法作为其抗震设计方法。但是，这种方法把不规则地震波的传播看作为同一周期和同一方向的地震波，从而与实际相去甚远;另外该法只适用于线形地下结构的抗震研究，用于大断面地下结构的抗震分析时需要进一步探讨、完善和修改。
3.动力反应分析法
主要适用于结构物形状和地质条件比较复杂时的地下结构抗震反应分析。它是采用有限元理论，将地震记录直接输入结构模型求得结构的动力反应。这种方法不仅可以求得结构受地震作用时反应的最大值，而且也可以观察到结构反应的全过程，同时也使结构的弹塑性反应分析成为可能。动力反应分析法又可细分为两种：一种是考虑土和结构的相互作用；另一种是不考虑土和结构的相互作用。前者将土与结构当作由一定的边界条件联系起来的整体系统来考虑，后者即不考虑结构的存在，把自由场的地震位移反应当作相应的结构地震位移反应。这种方法适用于任意的地下结构类型，也可以考虑地基土的具体性质和结构的非线性，但是应用不方便，难以得到规律性的结论，且其结果需要得到实验或理论解析的验证。
三、地下室对于高层建筑埋深问题的重要作用
1.提高地基承载力
高层建筑采用天然地基时，地基承载力可以进行修正。随着基础埋深的不断增加，修正后的地基承载力也随之增大，这样就可满足高层建筑对地基承载力的要求。
2.有利于高层建筑上部结构的整体稳定
高层建筑地下室外墙一般采用钢筋混凝土墙，地下室顶板厚一般不宜小于180mm，地下室具有较大的层间刚度，同时地下室外墙周边土也提供了很大的侧向刚度和约束。因此设地下室有利于上部结构的整体稳定，有利于协调结构整体变形，调整地基不均与沉降。基础应该要有一定的埋深，埋置深度可以从室外地坪一直算到基础底面，对于独立的高层建筑而言，基础埋深比较容易确定，但当今多数高层建筑与地下车库都是相互连接的，当地下车库基础采用筏板基础或设有防水底板的独立基础时，防水底板不宜太薄，高层建筑的基础埋深可从室外地坪算起，此时高层建筑地下室顶板及地下车库顶板应按嵌固层要求设计，地下车库应有足够的侧向刚度作为高层建筑的侧限。假如不满足以上条件的时候，高层建筑的基础埋深应该要从地下车库地面算起。
四、结构上的设计技术
1.设置有地下室的高层建筑的嵌固位置
钢筋混凝土高层建筑在进行结构分析之前，必须首先确定结构嵌固端所在位置，其直接关系到计算模型与实际受力状态的符合程度。目前实际工程中大多数单塔或多塔高层建筑都带有面积较大的地下室以及层数不多的裙房，而且裙房可能相连形成大底盘。《建筑抗震设计规范》规定高层建筑地下室在满足一定条件下，地下室顶板可以作为上部结构的嵌固端。
（1）地下室结构布置应保证地下室顶板及地下室各层楼板有足够的平面内整体刚度和承载能力，能将上部结构的地震作用传递到全部地下室结构范围的抗侧力构件。地下室顶板厚度不宜小于180mm，混凝土强度等级不应低于C30，应采用双层双向配筋，每层每个方向配筋率不宜小于0.25%。地下室顶板不宜采用无梁楼盖。
（2）单层地下室建筑宜选择基础底板作为结构嵌固端。选择基础底板作为结构嵌固端，可以充分利用基礎的“无限刚”的假定，也为首层楼面的灵活造型创造条件；即使是首层楼面有大开洞，或者选用无梁楼盖，都不影响计算的准确性，但是地下室作为抗爆级别较高的防空地下室时，其顶板与墙体通常具有作为结构嵌固端的刚度，此时可取其作为上部结构的嵌固端。
（3）裙房与主体结构相连时，其嵌固部位应随同主体结构，且应满足嵌固的有关要求；裙房与主体可采用不同基础结构，但应加强连接，保证在地震作用下共同工作。当不能满足嵌固在地下室顶板的要求时，可按嵌固在基础顶部设计。
2.地下室外墙的结构设计
地下室的外墙是结构设计的重点，应按水、土压力验算，在设计时应注意以下要求:
(1) 荷载。地下室外墙所承受的荷载分为水平荷载和竖向荷载。竖向荷载包括上部及地下室结构的楼盖传重和自重，水平荷载包括地面荷载、侧向土压力和人防等效静荷载。在实际工程设计中，竖向荷载及风荷载或地震作用产生的内力一般不起控制作用，墙体配筋主要由垂直墙面的水平荷载产生的弯矩确定，而且通常不考虑与竖向荷载组合的压弯作用，仅按墙板弯曲计算弯曲的配筋。
(2) 静止土压力系数。静止土压力宜由试验确定，当不具备试验条件时，砂土可取0.34～0.45，粘性土可取0.5～0.7。
(3) 地下室外墙的配筋计算。实际设计时，在外墙的配筋计算中，对于带扶壁柱的外墙，不是根据扶壁柱的尺寸大小进行计算，而是均按双向板计算配筋；扶壁柱则按地下室结构的整体电算分析结果进行配筋，不按外墙双向板传递荷载验算扶壁柱配筋。根据外墙与扶壁柱变形协调的原理，这种设计将使得外墙竖向受力筋配筋不足、扶壁柱配筋偏少、外墙的水平分布筋则有富余量。
3.设置有地下室高层建筑抗震墙底部加强部位高度。根据《建筑抗震设计规范》的规定，有抗震设防要求的设置有抗震墙的高层建筑，抗震墙底部都要求设有底部加强区，其目的是在加强区范围内采取增加边缘构件的箍筋和墙体横向钢筋等必要的抗震加强措施，避免脆性的剪切破坏，改善整个结构的抗震性能。
4.地下室顶板是高层建筑上部结构的一个水平约束支座，其刚度越大，对上部结构的约束作用越好。根据(建筑抗震设计规范)GB50011-2010，地下室顶板作为上部结构的嵌固端时，对楼板厚度、混凝土强度等级、板配筋率、楼层侧向刚度等都有具体要求。且地下室层数不宜少于两层。规范还明确规定，作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶楼盖应采用梁板结构。这意味着高层建筑地下室层数或总深层不仅仅由地基基础埋深决定，还必须考虑上述因素。结构计算时应往下算至满足嵌固端要求的地下室楼层或底板，但剪力墙底部加强区层数应从地面往上算，并应包括地下层。当出现以下情况时，地下室顶板不应作为上部结构的嵌固部位：⑴顶板室内外板面标高变化超过梁高范围形成错层，且未采取措施；⑵顶板为无梁楼盖。
五、结语
综上所述，在进行高层建筑的地下室结构抗震设计时，设计人员需要进行相关的计算，进而根据地上建筑物与地下室之间的联系进行合适的建筑结构分析，从而选择合理的抗震设计，提高建筑物的质量。
参考文献
[1]刘译聪 浅谈高层建筑地下室结构设计中存在的问题及对策 [J] 《城市建设》 -2013年28期-
[2]郭书香，郭光波 建筑工程中地下室结构设计探析 [J] 《商品与质量·学术观察》 -2011年6期-
[3]陈炯 浅析高层建筑地下室结构设计 [J] 《城市建设理论研究（电子版）》 -2013年9期-
[4]肖春娜 高层建筑地下室结构的抗震设计 [J] 《城市建设理论研究（电子版）》 -2013年7期-
【关键词】高层建筑；地下室；结构设计；抗震
中图分类号：TU208文献标识码： A
一、前言
随着各类高层建筑的不断建设，人们对于高层建筑的抗震设计更加关注，而要想保障整个建筑的抗震能力，就必须从地下室结构设计上入手，进而提高整栋建筑的抗震能力。
二、几种主要的地下结构抗震设计方法
1.静力法
把地震作用当作等效的静力荷载进行抗震计算。它通常应用于地下管线、洞道的横截面抗震设计，它把地震时的土压力和结构物以及结构物以上覆土层作为外力考虑。这种方法的缺陷在于没有考虑土层与结构各自的振动特性及其相互间的关系。
2.反应位移法
70 年代，日本学者从地震观测入手， 提出了地下线状结构抗震设计的反应位移法。其基本原理就是用弹性地基梁来模拟地下现状结构，把地震时地基的位移当作已知条件作用在弹性地基上，以求解在梁上产生的应力和变形，从而计算地下结构( 隧洞、管道、竖井等)地震反应，公式可以简化为拟静力计算公式，K{U} = Ks{Ug} 。式中的矩阵K 包括地下结构的刚度Kt 和地基抗力Ks。本方法的关键是确定地基变位{Ug} 和抗力系数Ks，通常将Ks 取为对角阵，则Ks 相当于文科尔弹簧常数或地基土介质的弹簧常数。这种方法的理论基础是基于地震时支配地下结构地震反应的地基变形而不是结构物的惯性力。近年来，大多数地下结构，尤其是地下管线都把这种方法作为其抗震设计方法。但是，这种方法把不规则地震波的传播看作为同一周期和同一方向的地震波，从而与实际相去甚远;另外该法只适用于线形地下结构的抗震研究，用于大断面地下结构的抗震分析时需要进一步探讨、完善和修改。
3.动力反应分析法
主要适用于结构物形状和地质条件比较复杂时的地下结构抗震反应分析。它是采用有限元理论，将地震记录直接输入结构模型求得结构的动力反应。这种方法不仅可以求得结构受地震作用时反应的最大值，而且也可以观察到结构反应的全过程，同时也使结构的弹塑性反应分析成为可能。动力反应分析法又可细分为两种：一种是考虑土和结构的相互作用；另一种是不考虑土和结构的相互作用。前者将土与结构当作由一定的边界条件联系起来的整体系统来考虑，后者即不考虑结构的存在，把自由场的地震位移反应当作相应的结构地震位移反应。这种方法适用于任意的地下结构类型，也可以考虑地基土的具体性质和结构的非线性，但是应用不方便，难以得到规律性的结论，且其结果需要得到实验或理论解析的验证。
三、地下室对于高层建筑埋深问题的重要作用
1.提高地基承载力
高层建筑采用天然地基时，地基承载力可以进行修正。随着基础埋深的不断增加，修正后的地基承载力也随之增大，这样就可满足高层建筑对地基承载力的要求。
2.有利于高层建筑上部结构的整体稳定
高层建筑地下室外墙一般采用钢筋混凝土墙，地下室顶板厚一般不宜小于180mm，地下室具有较大的层间刚度，同时地下室外墙周边土也提供了很大的侧向刚度和约束。因此设地下室有利于上部结构的整体稳定，有利于协调结构整体变形，调整地基不均与沉降。基础应该要有一定的埋深，埋置深度可以从室外地坪一直算到基础底面，对于独立的高层建筑而言，基础埋深比较容易确定，但当今多数高层建筑与地下车库都是相互连接的，当地下车库基础采用筏板基础或设有防水底板的独立基础时，防水底板不宜太薄，高层建筑的基础埋深可从室外地坪算起，此时高层建筑地下室顶板及地下车库顶板应按嵌固层要求设计，地下车库应有足够的侧向刚度作为高层建筑的侧限。假如不满足以上条件的时候，高层建筑的基础埋深应该要从地下车库地面算起。
四、结构上的设计技术
1.设置有地下室的高层建筑的嵌固位置
钢筋混凝土高层建筑在进行结构分析之前，必须首先确定结构嵌固端所在位置，其直接关系到计算模型与实际受力状态的符合程度。目前实际工程中大多数单塔或多塔高层建筑都带有面积较大的地下室以及层数不多的裙房，而且裙房可能相连形成大底盘。《建筑抗震设计规范》规定高层建筑地下室在满足一定条件下，地下室顶板可以作为上部结构的嵌固端。
（1）地下室结构布置应保证地下室顶板及地下室各层楼板有足够的平面内整体刚度和承载能力，能将上部结构的地震作用传递到全部地下室结构范围的抗侧力构件。地下室顶板厚度不宜小于180mm，混凝土强度等级不应低于C30，应采用双层双向配筋，每层每个方向配筋率不宜小于0.25%。地下室顶板不宜采用无梁楼盖。
（2）单层地下室建筑宜选择基础底板作为结构嵌固端。选择基础底板作为结构嵌固端，可以充分利用基礎的“无限刚”的假定，也为首层楼面的灵活造型创造条件；即使是首层楼面有大开洞，或者选用无梁楼盖，都不影响计算的准确性，但是地下室作为抗爆级别较高的防空地下室时，其顶板与墙体通常具有作为结构嵌固端的刚度，此时可取其作为上部结构的嵌固端。
（3）裙房与主体结构相连时，其嵌固部位应随同主体结构，且应满足嵌固的有关要求；裙房与主体可采用不同基础结构，但应加强连接，保证在地震作用下共同工作。当不能满足嵌固在地下室顶板的要求时，可按嵌固在基础顶部设计。
2.地下室外墙的结构设计
地下室的外墙是结构设计的重点，应按水、土压力验算，在设计时应注意以下要求:
(1) 荷载。地下室外墙所承受的荷载分为水平荷载和竖向荷载。竖向荷载包括上部及地下室结构的楼盖传重和自重，水平荷载包括地面荷载、侧向土压力和人防等效静荷载。在实际工程设计中，竖向荷载及风荷载或地震作用产生的内力一般不起控制作用，墙体配筋主要由垂直墙面的水平荷载产生的弯矩确定，而且通常不考虑与竖向荷载组合的压弯作用，仅按墙板弯曲计算弯曲的配筋。
(2) 静止土压力系数。静止土压力宜由试验确定，当不具备试验条件时，砂土可取0.34～0.45，粘性土可取0.5～0.7。
(3) 地下室外墙的配筋计算。实际设计时，在外墙的配筋计算中，对于带扶壁柱的外墙，不是根据扶壁柱的尺寸大小进行计算，而是均按双向板计算配筋；扶壁柱则按地下室结构的整体电算分析结果进行配筋，不按外墙双向板传递荷载验算扶壁柱配筋。根据外墙与扶壁柱变形协调的原理，这种设计将使得外墙竖向受力筋配筋不足、扶壁柱配筋偏少、外墙的水平分布筋则有富余量。
3.设置有地下室高层建筑抗震墙底部加强部位高度。根据《建筑抗震设计规范》的规定，有抗震设防要求的设置有抗震墙的高层建筑，抗震墙底部都要求设有底部加强区，其目的是在加强区范围内采取增加边缘构件的箍筋和墙体横向钢筋等必要的抗震加强措施，避免脆性的剪切破坏，改善整个结构的抗震性能。
4.地下室顶板是高层建筑上部结构的一个水平约束支座，其刚度越大，对上部结构的约束作用越好。根据(建筑抗震设计规范)GB50011-2010，地下室顶板作为上部结构的嵌固端时，对楼板厚度、混凝土强度等级、板配筋率、楼层侧向刚度等都有具体要求。且地下室层数不宜少于两层。规范还明确规定，作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶楼盖应采用梁板结构。这意味着高层建筑地下室层数或总深层不仅仅由地基基础埋深决定，还必须考虑上述因素。结构计算时应往下算至满足嵌固端要求的地下室楼层或底板，但剪力墙底部加强区层数应从地面往上算，并应包括地下层。当出现以下情况时，地下室顶板不应作为上部结构的嵌固部位：⑴顶板室内外板面标高变化超过梁高范围形成错层，且未采取措施；⑵顶板为无梁楼盖。
五、结语
综上所述，在进行高层建筑的地下室结构抗震设计时，设计人员需要进行相关的计算，进而根据地上建筑物与地下室之间的联系进行合适的建筑结构分析，从而选择合理的抗震设计，提高建筑物的质量。
参考文献
[1]刘译聪 浅谈高层建筑地下室结构设计中存在的问题及对策 [J] 《城市建设》 -2013年28期-
[2]郭书香，郭光波 建筑工程中地下室结构设计探析 [J] 《商品与质量·学术观察》 -2011年6期-
[3]陈炯 浅析高层建筑地下室结构设计 [J] 《城市建设理论研究（电子版）》 -2013年9期-
[4]肖春娜 高层建筑地下室结构的抗震设计 [J] 《城市建设理论研究（电子版）》 -2013年7期-