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摘要：地下室结构设计是一项综合性很强的工作, 涉及的内容繁多复杂, 而且建设投资庞大, 必须统筹帷幄, 审慎、周到地考虑各种因素, 深入分析, 选择可靠、经济、合理的结构方案, 才能保证工程安全、顺利地实施。
关键词：顶板地下室设计
当前, 随着经济和技术的飞速发展, 高层建筑的应用越来越多, 由于场地少、用户多, 城市规划对绿地和停车都有较为严格的要求, 所以在多栋高层建筑下设置大底盘地下室的工程越来越多。这些地下室多为1-3 层, 约占总面积的11%-20%, 主要用于车库、人防、设备用房等, 地下室超大超长的不在少数, 此类地下室的结构设计需要解决的问题主要是: 基础沉降不均、变形缝的设置、非主楼范围的抗浮稳定、超长结构的抗裂等。下面以实际工程为例进行分析。
1 工程概况
建筑规模和容量：人防工程位于地下二层和地下三层。防空地下室平时为车库，战时为常6级乙类防空地下室,总共三层总建筑面积为97950.42平方米。车库仅供相关用户及住户停放微型及小型车使用.地下一层部分停放自行车，总停车数为4114辆，其余机动车位均为普通停车位,总停车数为452辆;地下二层、地下三层均为机械停车位，地下二层双层停车位521套计1042辆;地下三层双层停车位517套计1034辆;该地下室总计停车2528辆。
地下室防水做法见西南04J112,P31,1护墙120厚粘土实心砖墙。各塔楼高度不同, 体型不一, 其中A 塔为现浇框架结构, B、C、D 塔均为现浇框架- 剪力墙结构( 见图1) 。
图1结构示意图
2.需要解决的主要问题
( 1) 由于建筑物很长, 各栋塔楼通过两层群房和地下室相连, 如何合理地设置变形缝。
( 2) 如何控制各部分基础的沉降差异。
( 3) 局部地下室范围内无上部建筑, 如何解决抗浮。
( 4) 解决超长地下室的防水和构件( 如外墙、顶板、底板) 的抗裂。
3. 变形缝的设置
本例综合楼的各塔楼高度不同, 体型相差较大,塔楼间还设空中连廊, 又有两层裙房相连, 同时具备了多塔楼、连体结构的性质, 属超限的多重复杂高层建筑, 有多处薄弱部位, 对抗震极为不利。根据抗震设计的要求, 可以在适当位置设置防震缝, 形成较规则的结构单元。
当各塔楼的体型、刚度差异较大时, 在地震作用下, 连体结构、多塔结构会产生复杂的相互耦联的振动, 扭转影响严重, 对抗震非常不利, 连接处更是抗震的薄弱部位。考虑到有连接的塔楼之间距离不大采用悬挑的连廊形式也可以, 故在连廊的中间设置防震缝, 把连体结构分解为各自独立的塔楼, 使之成为扭转效应较小的规则、对称结构。同样地, 在各塔楼之间的裙房设置多道防震缝, 多塔楼分成了各个规则的单塔, 有利于减轻薄弱部位的震害, 使上部结构抗震能力更强。具体分缝立面图见图2。
图2 分缝立面图
理顺了上部结构的分缝关系, 接下来再考虑地下室的分缝问题。根据实际工程实例, 地下室有分缝也有不分缝的。地下室分缝的好处在于: 作为温度缝设置, 可以减少超长地下室构件在施工和使用阶段由温度因素产生的裂缝; ! 作为沉降缝设置,可以避免各塔楼因沉降差异引起的次应力对结构的不利影响。
而顶板以下的地下室不设变形缝的方案, 其优点主要是: 地下室顶板的高差不大, 整体性好, 如果不设缝, 则可以作为上部结构的嵌固部位, 有利于向周边土体传递水平地震作用, 而且能减少基础埋深, 降低基础工程费用; ! 因工程场地地下水位较高, 稳定水位常在地面以下1.2 m 处, 属承压水, 如果不设变形缝, 可以省去变形缝处复杂且维护不菲的构造措施, 有利于地下室的防水。
最终确定了地下室不设缝的方案。但在地下室不分缝的条件下, 如何解决沉降差异大、容易产生裂缝等, 也是后续的施工图的设计中应该重点解决的问题。因此, 通过对整体结构的综合考虑, 在合理设置上部变形缝、优化上部结构方案的同时, 也可以让地下室的设计更为明确、合理。
4. 控制沉降差异
作为大底盘多塔楼的建筑, 由于各塔楼总高不同, 基础的不均匀沉降是一个必须面对的重要问题。因为决定了地下室不设缝, 根据变刚度调平设计的概念: 考虑上部结构形式、荷载和地层分布以及相互作用效应, 通过调整桩径、桩长、桩距等改变基桩支承刚度分布, 使建筑物沉降趋于均匀、降低基础内力。所以采用以下几条措施进行基础设计:
( 1) 对主楼和裙房采用不同的持力层, 减少各部分的沉降差异, 其中主体基础采用长螺旋灌注桩+筏板, 持力层为强风化泥岩, 平均桩长为30 m, 裙房及地下室基础采用长螺旋灌注桩, 持力层为粉质粘土，桩长约为20m。
( 2) 通过调整桩距、桩数、考虑基础( 地基的共同作用来进一步善沉降差异。
( 3) . 在各塔楼之间、塔楼与裙房的基础间设沉降后浇带, 允许各主体和非主体在施工期间各自自由沉降。在设计过程中, 经初步布桩和计算, 各主楼的部分基础沉降值见表2。
根据试算的初步结果可知, 主楼范围内的桩基沉降图基本呈蝶形, 中间内筒的沉降大, 周边桩基沉降少, 局部边柱与中间剪力墙的基础沉降差不满足规范的要求。其原因是由于中间核心筒的刚度、荷载大, 周边柱墙刚度、荷载小, 在不考虑上部结构刚度的情况下, 用相同桩径、桩长、桩距来均匀布置桩, 各部分桩竖向支承刚度的分布发生外大内小的变化,致使沉降差异过大。
为了改善主体的沉降差异, 可以采用的措施是:调整桩长、桩径、桩距、桩数等。由于桩端持力层为中密的圆砾层, 如果增加桩长较多, 施工困难较大,施工质量也难以保证。而调整桩径、桩长致使型号规格变化过多, 也会给采购和施工过程带来不便, 进而影响工期。最终, 采取: 增加中部剪力墙筒体下的桩数, 并参考地区施工经验, 在保证施工质量的前提下, 适当减少桩距; 对外圍的墙柱下群桩, 则考虑桩土共同作用和承台作用, 在满足承载力要求的同时, 适当减少桩数或加大桩间距; 沉降计算时考虑上部结构的刚度影响。
经过调整和计算, 各主楼部分的沉降值见表3。
数据表明, 各部分的沉降差异已得到控制, 能满足规范的要求, 同时承台、筏板的内力和配筋也有所减少。
另外, 裙房部分的基础如果按柱下独基计算时, 沉降值过大, 相邻柱基的沉降差也超过了规范的规定值。按照以往的做法, 一般是增大部分沉降过大的柱下基础面积, 这样, 裙房与主楼的沉降差异会更加悬殊。分析后发现, 本工程地下室底板厚度达到800mm, 按抗浮设计后配筋较多, 且底板和柱下基础一样是落在相同的持力层, 软件计算时没能考虑底板对柱基础的沉降影响, 所以差异值会偏大。因此改用按桩筏的计算模型进行底板的验算, 结果明显有所改善, 不仅沉降可以满足规范的要求, 配筋也可以满足内力的需要。因此, 通过考虑基础和土的共同作用因素, 裙房的不均匀沉降也解决了。此外, 根据相关资料工程这样的地质条件, 建筑物在施工期间可以完成总沉降量的50%-80%, 施工完成后再封闭后浇带, 可以大大减少不均匀沉降引起的次应力对结构的不利影响。因此, 通过设置沉降后浇带, 又可以进一步降低沉降差异。所以, 将变刚度调平概念应用于基础设计, 采取措施减少基础的差异变形, 可以降低基础内力和上部结构的次应力, 从而达到节约资源、提高建筑使用寿命的目的。
5. 地下室的抗浮稳定
主要对非主体范围的地下室进行抗浮稳定验算, 结果是局部无上部结构的地下室抗浮作用小于浮力, 稳定不满足。可选的解决方案有3 种: 增加顶板的压重, 包括增加顶板覆土、顶板厚度; 加抗浮锚杆或抗浮桩;增加底板配重, 如增加底板填料、加厚底板等。
增加顶板的覆土和自身厚度, 会使框架梁的荷载加大, 需增加梁板截面和配筋, 也势必要增加地下室的层高, 由此一来, 底板埋深更深, 水浮力也更大, 因此代价不菲。如采用第! 种即设抗浮锚杆, 由于水位较高, 要在粉土、粉细砂、圆砾层中成孔和压浆成型, 施工较困难, 而且费用高昂; 如果设置静压预制桩作为抗浮桩, 经试算, 土层的桩侧摩阻力有限, 桩长很长仍不能抵抗浮力; 且在轴向荷载作用下, 桩会对基础的下沉产生阻碍作用, 对减少主体和裙房间的沉降差异不利。
最后考虑采用自重大的毛石砼作为填料, 在抗浮不足的柱基附近增加底板配重, 这种方法的优点是: 造价低廉; 施工方便; 不会增加底板构件的受力,相反, 由于与水浮力作用相反, 还可以减少部分梁板的尺寸和配筋。经计算, 毛石砼填料厚度仅为1.2m, 填料面积不到100 m2。最终, 选用了这一经济、可靠的方案来解决抗浮稳定问题。
6. 超长地下室的抗裂
由于前面分析的原因在地下室部分不设变形缝, 也仅在各主楼与裙房间设置沉降后浇带。虽然地下室受温度变化影响较上部结构较小, 但是超长结构构件(的抗裂依然是个重要的问题。裂缝产生的主要原因是混凝土的干燥收缩和热胀冷缩, 在使用阶段, 环境的温度变化是影响混凝土构件开裂的主要原因, 而在施工阶段, 混凝土的干缩和水泥水化热影响是主要因素。为了减少这些因素的不利影响, 主要采取了以下加强措施: 地下室砼中添加微膨胀剂, 使用补偿收缩砼; 超长但未设后浇带的部分增设膨胀加强带;地下室砼外墙按规范单独设置后浇带;加强梁板的纵向钢筋, 加大分布筋的配筋量, 抵抗温度应力。
7 结语
本文介绍了超长地下室结构设计中遇到的基础沉降不均、变形缝的设置、非主楼范围的抗浮稳定、超长结构的抗裂等问题。并以实际工程为例, 对这些问题进行分析, 提出了解方法。
注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开
关键词：顶板地下室设计
当前, 随着经济和技术的飞速发展, 高层建筑的应用越来越多, 由于场地少、用户多, 城市规划对绿地和停车都有较为严格的要求, 所以在多栋高层建筑下设置大底盘地下室的工程越来越多。这些地下室多为1-3 层, 约占总面积的11%-20%, 主要用于车库、人防、设备用房等, 地下室超大超长的不在少数, 此类地下室的结构设计需要解决的问题主要是: 基础沉降不均、变形缝的设置、非主楼范围的抗浮稳定、超长结构的抗裂等。下面以实际工程为例进行分析。
1 工程概况
建筑规模和容量：人防工程位于地下二层和地下三层。防空地下室平时为车库，战时为常6级乙类防空地下室,总共三层总建筑面积为97950.42平方米。车库仅供相关用户及住户停放微型及小型车使用.地下一层部分停放自行车，总停车数为4114辆，其余机动车位均为普通停车位,总停车数为452辆;地下二层、地下三层均为机械停车位，地下二层双层停车位521套计1042辆;地下三层双层停车位517套计1034辆;该地下室总计停车2528辆。
地下室防水做法见西南04J112,P31,1护墙120厚粘土实心砖墙。各塔楼高度不同, 体型不一, 其中A 塔为现浇框架结构, B、C、D 塔均为现浇框架- 剪力墙结构( 见图1) 。
图1结构示意图
2.需要解决的主要问题
( 1) 由于建筑物很长, 各栋塔楼通过两层群房和地下室相连, 如何合理地设置变形缝。
( 2) 如何控制各部分基础的沉降差异。
( 3) 局部地下室范围内无上部建筑, 如何解决抗浮。
( 4) 解决超长地下室的防水和构件( 如外墙、顶板、底板) 的抗裂。
3. 变形缝的设置
本例综合楼的各塔楼高度不同, 体型相差较大,塔楼间还设空中连廊, 又有两层裙房相连, 同时具备了多塔楼、连体结构的性质, 属超限的多重复杂高层建筑, 有多处薄弱部位, 对抗震极为不利。根据抗震设计的要求, 可以在适当位置设置防震缝, 形成较规则的结构单元。
当各塔楼的体型、刚度差异较大时, 在地震作用下, 连体结构、多塔结构会产生复杂的相互耦联的振动, 扭转影响严重, 对抗震非常不利, 连接处更是抗震的薄弱部位。考虑到有连接的塔楼之间距离不大采用悬挑的连廊形式也可以, 故在连廊的中间设置防震缝, 把连体结构分解为各自独立的塔楼, 使之成为扭转效应较小的规则、对称结构。同样地, 在各塔楼之间的裙房设置多道防震缝, 多塔楼分成了各个规则的单塔, 有利于减轻薄弱部位的震害, 使上部结构抗震能力更强。具体分缝立面图见图2。
图2 分缝立面图
理顺了上部结构的分缝关系, 接下来再考虑地下室的分缝问题。根据实际工程实例, 地下室有分缝也有不分缝的。地下室分缝的好处在于: 作为温度缝设置, 可以减少超长地下室构件在施工和使用阶段由温度因素产生的裂缝; ! 作为沉降缝设置,可以避免各塔楼因沉降差异引起的次应力对结构的不利影响。
而顶板以下的地下室不设变形缝的方案, 其优点主要是: 地下室顶板的高差不大, 整体性好, 如果不设缝, 则可以作为上部结构的嵌固部位, 有利于向周边土体传递水平地震作用, 而且能减少基础埋深, 降低基础工程费用; ! 因工程场地地下水位较高, 稳定水位常在地面以下1.2 m 处, 属承压水, 如果不设变形缝, 可以省去变形缝处复杂且维护不菲的构造措施, 有利于地下室的防水。
最终确定了地下室不设缝的方案。但在地下室不分缝的条件下, 如何解决沉降差异大、容易产生裂缝等, 也是后续的施工图的设计中应该重点解决的问题。因此, 通过对整体结构的综合考虑, 在合理设置上部变形缝、优化上部结构方案的同时, 也可以让地下室的设计更为明确、合理。
4. 控制沉降差异
作为大底盘多塔楼的建筑, 由于各塔楼总高不同, 基础的不均匀沉降是一个必须面对的重要问题。因为决定了地下室不设缝, 根据变刚度调平设计的概念: 考虑上部结构形式、荷载和地层分布以及相互作用效应, 通过调整桩径、桩长、桩距等改变基桩支承刚度分布, 使建筑物沉降趋于均匀、降低基础内力。所以采用以下几条措施进行基础设计:
( 1) 对主楼和裙房采用不同的持力层, 减少各部分的沉降差异, 其中主体基础采用长螺旋灌注桩+筏板, 持力层为强风化泥岩, 平均桩长为30 m, 裙房及地下室基础采用长螺旋灌注桩, 持力层为粉质粘土，桩长约为20m。
( 2) 通过调整桩距、桩数、考虑基础( 地基的共同作用来进一步善沉降差异。
( 3) . 在各塔楼之间、塔楼与裙房的基础间设沉降后浇带, 允许各主体和非主体在施工期间各自自由沉降。在设计过程中, 经初步布桩和计算, 各主楼的部分基础沉降值见表2。
根据试算的初步结果可知, 主楼范围内的桩基沉降图基本呈蝶形, 中间内筒的沉降大, 周边桩基沉降少, 局部边柱与中间剪力墙的基础沉降差不满足规范的要求。其原因是由于中间核心筒的刚度、荷载大, 周边柱墙刚度、荷载小, 在不考虑上部结构刚度的情况下, 用相同桩径、桩长、桩距来均匀布置桩, 各部分桩竖向支承刚度的分布发生外大内小的变化,致使沉降差异过大。
为了改善主体的沉降差异, 可以采用的措施是:调整桩长、桩径、桩距、桩数等。由于桩端持力层为中密的圆砾层, 如果增加桩长较多, 施工困难较大,施工质量也难以保证。而调整桩径、桩长致使型号规格变化过多, 也会给采购和施工过程带来不便, 进而影响工期。最终, 采取: 增加中部剪力墙筒体下的桩数, 并参考地区施工经验, 在保证施工质量的前提下, 适当减少桩距; 对外圍的墙柱下群桩, 则考虑桩土共同作用和承台作用, 在满足承载力要求的同时, 适当减少桩数或加大桩间距; 沉降计算时考虑上部结构的刚度影响。
经过调整和计算, 各主楼部分的沉降值见表3。
数据表明, 各部分的沉降差异已得到控制, 能满足规范的要求, 同时承台、筏板的内力和配筋也有所减少。
另外, 裙房部分的基础如果按柱下独基计算时, 沉降值过大, 相邻柱基的沉降差也超过了规范的规定值。按照以往的做法, 一般是增大部分沉降过大的柱下基础面积, 这样, 裙房与主楼的沉降差异会更加悬殊。分析后发现, 本工程地下室底板厚度达到800mm, 按抗浮设计后配筋较多, 且底板和柱下基础一样是落在相同的持力层, 软件计算时没能考虑底板对柱基础的沉降影响, 所以差异值会偏大。因此改用按桩筏的计算模型进行底板的验算, 结果明显有所改善, 不仅沉降可以满足规范的要求, 配筋也可以满足内力的需要。因此, 通过考虑基础和土的共同作用因素, 裙房的不均匀沉降也解决了。此外, 根据相关资料工程这样的地质条件, 建筑物在施工期间可以完成总沉降量的50%-80%, 施工完成后再封闭后浇带, 可以大大减少不均匀沉降引起的次应力对结构的不利影响。因此, 通过设置沉降后浇带, 又可以进一步降低沉降差异。所以, 将变刚度调平概念应用于基础设计, 采取措施减少基础的差异变形, 可以降低基础内力和上部结构的次应力, 从而达到节约资源、提高建筑使用寿命的目的。
5. 地下室的抗浮稳定
主要对非主体范围的地下室进行抗浮稳定验算, 结果是局部无上部结构的地下室抗浮作用小于浮力, 稳定不满足。可选的解决方案有3 种: 增加顶板的压重, 包括增加顶板覆土、顶板厚度; 加抗浮锚杆或抗浮桩;增加底板配重, 如增加底板填料、加厚底板等。
增加顶板的覆土和自身厚度, 会使框架梁的荷载加大, 需增加梁板截面和配筋, 也势必要增加地下室的层高, 由此一来, 底板埋深更深, 水浮力也更大, 因此代价不菲。如采用第! 种即设抗浮锚杆, 由于水位较高, 要在粉土、粉细砂、圆砾层中成孔和压浆成型, 施工较困难, 而且费用高昂; 如果设置静压预制桩作为抗浮桩, 经试算, 土层的桩侧摩阻力有限, 桩长很长仍不能抵抗浮力; 且在轴向荷载作用下, 桩会对基础的下沉产生阻碍作用, 对减少主体和裙房间的沉降差异不利。
最后考虑采用自重大的毛石砼作为填料, 在抗浮不足的柱基附近增加底板配重, 这种方法的优点是: 造价低廉; 施工方便; 不会增加底板构件的受力,相反, 由于与水浮力作用相反, 还可以减少部分梁板的尺寸和配筋。经计算, 毛石砼填料厚度仅为1.2m, 填料面积不到100 m2。最终, 选用了这一经济、可靠的方案来解决抗浮稳定问题。
6. 超长地下室的抗裂
由于前面分析的原因在地下室部分不设变形缝, 也仅在各主楼与裙房间设置沉降后浇带。虽然地下室受温度变化影响较上部结构较小, 但是超长结构构件(的抗裂依然是个重要的问题。裂缝产生的主要原因是混凝土的干燥收缩和热胀冷缩, 在使用阶段, 环境的温度变化是影响混凝土构件开裂的主要原因, 而在施工阶段, 混凝土的干缩和水泥水化热影响是主要因素。为了减少这些因素的不利影响, 主要采取了以下加强措施: 地下室砼中添加微膨胀剂, 使用补偿收缩砼; 超长但未设后浇带的部分增设膨胀加强带;地下室砼外墙按规范单独设置后浇带;加强梁板的纵向钢筋, 加大分布筋的配筋量, 抵抗温度应力。
7 结语
本文介绍了超长地下室结构设计中遇到的基础沉降不均、变形缝的设置、非主楼范围的抗浮稳定、超长结构的抗裂等问题。并以实际工程为例, 对这些问题进行分析, 提出了解方法。
注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开