浅谈地下室结构设计在高层建筑中的运用

浅谈地下室结构设计在高层建筑中的运用

摘要:本文主要针对高层建筑地下室结构设计过程中地下室的抗震等级、外墙、剪力墙、框架柱、顶板、回填土及抗裂措施等问题作了简要分析。以供同行参考。

关键词:结构设计高层建筑 模型特点地下室

1地下室工程的结构模型特点

带有地下室的高层建筑是一个由上部结构与地下室共同组成的完整的受力体系,相互协调变形。地下室与上部建筑并没有本质的区别,在建模方法和计算分析方面也基本相同。在设计单位广泛应用的SATWE软件完全可以将地下室和上部结构作为一个整体进行计算分析。当然,地下室与上部结构的受力及分析方面也有许多不同之处,需要在设计中加以特殊考虑。

1.1地下室的埋置深度

高层建筑设置地下室对建筑物结构的益处很多。首先可以利用土的侧压力减小结构的滑移和倾覆,有利于上部结构的整体稳定性;其次可以减小土的重量,减少地基的附加压力和沉降;再由于基础具有一定的埋置深度,还可以减小地震作用对上部建筑的影响。唐山地震震害就表明有地下室的建筑物破坏明显较小。

地下室在具有足够的刚度、承载力和整体性的条件下,可作为基础结构的一部分。高层建筑基础的埋置深度应满足地基承载力、变形和稳定性的要求。位于岩石地基上的高层建筑,其埋深应满足抗滑的要求[1]。

建议同一结构单元应全部设置地下室,并应当有相同的埋深。基础的埋置深度为建筑物室外地面至基础底面的距离,可按以下要求进行估算[2]:

一般天然地基,不宜小于建筑物的高度的1/15,并大于3m;

(2)岩石地基可不考虑埋深的要求,但应验算倾覆和滑移;

(3)桩基础不宜小于建筑物高度的1/18。在城市居住密集的地方往往新旧建筑物紧靠在一起。为保证施工期间相邻原有建筑物的稳定,通常新建高层的埋深不宜大于原有建筑的基础。当新基础埋深大于原有建筑基础时,应根据建筑荷载大小、基础形式和土质情况使基础间保持一定的距离。

1.2上部结构的嵌固部位

在进行上部结构计算时,首先要确定其嵌固部位,嵌固部位又直接影响到基础的弯矩,所以它对于结构分析和基础设计都是非常重要的,并直接关联建筑物的经济性和安全性。

1.2.1嵌固部位的概念引入

由于地下室侧墙外的回填土的存在,使得地下室的力学特点和上部结构有所不同。回填土约束了地下室的水平位移,使得建筑物在地下室顶部产生刚度突变。在地震作用下,塑性铰的位置有可能发生转移。确定嵌固部位可以通过对结构刚度和承载力的调整,使得塑性铰在预定的位置出现,从而在地震作用下,保证上部结构的某些关键部位能实现预期的先于其他部位的屈服即进入非弹性阶段,产生预期的耗能机制。

1.2.2嵌固部位的含义

结构的嵌固部位是计算模型中的一个重要假定,它是指结构预期塑性铰出现的位置。嵌固部位的正确设定直接关系到计算模型与实际受力状态的符合程度,构件内力与侧移等计算结果的准确性。嵌固部位应能构件在两个水平方向的平动位移和绕竖轴的转动位移,并能传递上部结构的地震剪力。

1.2.3嵌固部位的确定原则

嵌固部位结构的整体刚度和承载力是塑性铰出现的必要条件。地下室嵌固部位应能承受上部结构屈服超强引起的内力及地下室本身的地震作用。因此,《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》都规定:当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时,地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍[2,3]。地下室不能满足嵌固部位的楼层侧向刚度比规定时,可以增加地下室楼层的侧向刚度,或者将主体结构的嵌固部位下移至符合要求的部位,如基础顶面等。当地下室不少于两层时,地下室顶部可作为上部结构的嵌固部位。

1.3回填土的约束作用

由于地下室一般都存在外墙,其侧向刚度大于上部结构。同时,地下室与室外土层接触面积大,在地震作用下,阻尼增大导致振动衰减,降低了结构的动力效应[4]。此外,地震作用迫使与地下室接触的回填土发生相应的变形,导致土对地下室外墙及底板产生抗力,约束了地下室的变形从而提高了地下室的刚度。在选择了合理的嵌固部位以后,如何分析回填土的约束作用成为地下室结构模型合理性的关键。在规范关于刚性地基的假定下,目前通常采用以下两种分析方法:

(1)嵌固水平位移法

将上部结构与地下室作为一个整体考虑,嵌固部位取在基础底板处,并根据地下室结构与相邻上部结构楼层侧向刚度比的大小,确定合适位置限定其水平位移为零。楼层侧向刚度的计算方法有三种,分别是剪切刚度、剪弯刚度和楼层剪力与层间位移的比值。三种方法含义不同,计算结果差别也较大。当进行方案设计时,地下室侧向刚度比可用剪切刚度比估计。施工图设计时,取楼层剪力与层间位移的比值计算。

(2)弹簧刚度法

将上部结构与地下室作为一个整体考虑,嵌固部位取在基础底板处,并在每层地下室的楼板处引入水平弹簧刚度,其值的大小反映回填土对地下室约束作用的强弱。SATWE软件设有参数“回填土对地下室作用的相对刚度比”,其含义就是回填土的约束刚度与地下室本身抗侧移刚度的比值,若取值为0,表示不考虑回填土的约束作用;若取值在1到5之间,表示回填土具有一定的约束作用,取值越大约束作用越强;若取值为负数m,表示地下室有嵌固部位,其下部的m层无水平位移[5]。

1.4地下室的荷载

1.4.1竖向荷载

地下室与上部结构采用整体分析方法,不仅可以正确完成全楼的竖向导荷及内力计算,同时可以考虑地下室的变形对上部结构的影响,使计算结果更符合实际情况。

1.4.2水平荷载

地下室在地面以下不受风荷载的影响。由地下室质量产生的地震作用主要被室外回填土吸收,只有小部分由地下室构件承担。因此,在按照《建筑抗震设计规范》进行地震剪力调整时,地下室部分的最小地震剪力系数不满足要求时可以不调整.

2地下室结构设计中应注意的几个问题

2.1地下室的抗震等级

带地下室的高层建筑,当地下室的刚度和受剪承载力满足《高层建筑混凝土结构设计规范》的要求时,地下室顶板可作为嵌固部位,在地震作用下的屈服部位将发生在地上楼层,同时会影响到地下一层。地面以下地震响应逐渐减小,但地下一层的抗震等级不能降低,根据具体情况,地下二层的抗震等级和地下室中无上部结构的部分可按三级或更低等级采用。若地下室顶板不能作为上部结构的嵌固部位,实际嵌固部位所在的楼层及其上部的地下室楼层的抗震等级,可与上部结构相同[6]。

2.2地下室的外墙

2.2.1荷载组合

地下室外墙承受的荷载,除了上部结构传来的恒、活、风荷载和地震作用之外,还有地下室本身的竖向荷载、地面活荷载、侧向土压力和地下水压力。在实际工程中,风荷载和地震作用产生的内力一般不起控制作用,墙体平面外配筋主要由垂直于墙体的水平荷载产生的弯矩和竖向荷载产生的轴力组合的压弯作用控制。

2.2.2内力计算

地下室外墙可根据支承情况计算水平荷载作用下的弯矩。由于地下室内墙间距不等,可把楼板和基础底板作为外墙的支点按单向板计算,基础底板为固端,顶板为铰支座。也可按考虑塑性内力变形重分布的方法计算弯矩,可以节省钢筋用量。外墙的受拉区混凝土可能出现弯曲裂缝,但由于裂缝较细微不会贯通整个截面,外墙仍具有足够的抗渗能力[7]。

2.2.3构造措施

地下室外墙外侧竖向钢筋在基础底板弯折后水平段长度按搭接与底板下部钢筋相连,而底板上下钢筋可伸至外墙外侧。