浅析高层建筑地下室结构设计
摘要：本文作者主要对高层建筑地下室设计中基础的选型；地下室底板抗浮设计；建筑物上部结构、地下室、地基的相互作用关系进行了分析；同时对高层主楼与地下室车库之间的处理方法进行了探讨。
关键词:地下室；结构设计；
0、引言
近年来，随着经济建设的迅速发展，而高层建筑更由于其建筑功能和结构本身的要求,大多需要设置单层或多层地下室。地下工程在整个建设项目中所占的比重也越来越大。然而地下室的造价在整个建筑总造价中所占的比重是非常之大的，如何才能使地下室设计的经济合理显得尤为重要。
1、地下室的设计
1.1基础的选型：
1.1.1《高规》12.1.1条规定，高层建筑基础设计，应综合考虑建筑场地的地质状况及水位、上部结构类型、使用功能、施工条件以及邻近建筑的相互影响，以保证建筑物不致发生过量沉降或倾斜，并能满足正常使用功能要求。还应注意了解邻近地下构筑物及各类地下设施的位置和标高，以保证基础的安全和确保施工中不发生意外问题。
1.1.2基础形式应选用整体性好，能满足地基承载力和建筑物容许变形的要求，并能调节不均匀沉降，达到安全实用和经济合理的目的。
根据上部结构类型、层数、荷载及地基承载力，中小高层建筑地下室基础可采用条形交叉梁基础、满堂筏板、桩筏或箱形等基础形式。筏板基础可以是梁板式和平板式，当建筑物层数较多、地下室柱距较大、基底反力很大时，宜优先采用平板式。当采用梁板式筏基时，基础梁截面大必然增加基础埋置深度，当水位高时更为不利，梁板混凝土需分层浇筑，而且梁支模费事，因而增长工期，综合经济效益不一定比平板好。
1.2抗浮设计
1.2.1《地基规范》3.0.3条规定，岩土工程勘察报告应提供用于计算地下浮力的设计水位。结构抗浮验算必须根据岩土工程勘察单位提供的地下水浮力的设计水位来验算。
1.2.2抗浮验算时永久荷载的分项系数取值，各地区可能与《荷载规范》不同，当有地区标准按当地的标准，无地区标准则按《荷载规范》。验算建筑物抗浮能力必须满足：
(建筑物永久荷载/水浮力)≥1.0
式中建筑物永久荷载为标准值（不计算可变荷载），按《规范荷载》3.2.5条应乘分项系数0.9。
1.2.3当抗浮设计水位较高，裙房满堂地下室或地下车库需要采用抗浮措施时，应按工程具体情况区别对待。如果裙房满堂地下室或地下车库是独立建筑，与高层主楼基础没有连接成整体，并有一定距离不会因差异沉降造成影响时，抗浮措施可以根据经济技术比较采用：抗浮锚杆、抗拔桩或压重等方法；如果高层主楼基础与裙房满堂地下室或地下车库连接成整体，均采用桩基，通常抗浮可采用抗拔桩的方法来解决，这几年预应力管桩应用也比较普遍，可以节约桩基成本大约15%，提高桩基工期大约10%；如果高层主楼基础与裙房满堂地下室或地下车库连接整体，并且高层主楼采用的是天然地基预估有若干沉降量，裙房或地下车库抗浮宜采用压重（采用素混凝土，重度不小于30KN/M2钢渣混凝土或砂石料）方法，不宜采用抗拔桩或抗浮锚杆，否则必将与高层主楼之间形成差异沉降而造成底板开裂的影响，尤其如北方很多城市的抗浮设计水位由于考虑南水北调提供的较高，但实际地下水位目前而言都是非常低的，如果抗浮采用抗拔桩或抗浮锚杆，裙房或地下车库与主楼间基础沉降差异将是非常突出的问题。
在这里举一个利用抗浮锚杆抗浮的例子，某工程地下3层，地上24层，基础为独立柱基础带400mm厚的C40混凝土底板，已知地下室底板水压高度为8.8米，可知水浮力为88KN/M2，底板自重10KN/M2，则可知道抗浮锚杆承受浮力为78KN/M2。经过计算本工程采用锚杆直径φ=100mm，锚杆φ28，锚入中风化岩层内4000mm，单根锚杆抗拔承载力特征值为140KN，锚杆间距选择1200×1200mm，实际结果表明抗浮效果特好，没有出现底板抗浮裂纹，如下图：
1.3建筑物上部结构、地下室、地基的相互作用关系必须要了解。
1.3.1高层建筑的基础上部整体连接着层数很多的框架、剪力墙或简体结构，地下室四周很厚的挡土墙又紧贴着有效侧限的密实回填土，下部又连接着沿深度变化的地基。无论在竖向荷载还是水平荷载的作用下，它们都会有机地共同作用，相互协调变形。尽管在这方面的设计计算理论仍不够完善，但如果仅仅把基础从上部结构和下部地基的客观边界条件中完全隔离出来进行计算，是根本无法达到真正设计要求的目的。
高层建筑基础的分析与设计经历了不考虑上、下共同相互作用的阶段，仅考虑基础和地基共同作用的阶段，到现今开始全面考虑上部结构和地基基础相互作用的新阶段。我国目前也有了专门的高层建筑与地基基础共同作用理论的相关计算程序，如果设计人员所用的计算机结构分析软件仍是沿袭着不客观充分考虑相互作用的常规计算方法，设计的计算结果往往和工程实测的结果相差甚远，达不到经济合理性的要求。
1.3.2无论是采用箱基还是筏基，诸多工程的实测都显示；底板的整体弯曲率都是很小的，往往都不到万分之五。有一些高层建筑箱形基础的实测值都仅在（0.16～3.14）×10-4之间，国外也有的资料上实测的挠区率都是很小的，比如德国法兰克福展览会大楼的筏板实测挠区率只有2.55×10-4。而且我国测得的筏底板钢筋应力一般都在20~30N/mm2之间，只有钢筋强度设计值的十分之一，个别内力较大的工程也几乎没有超过70N/mm2。
出现这种基础底板内力远远小于常规计算方法的因素很多，如在基础底板施工时，只有底板的自重，且无任何上部结构的边界约束，而混凝土的硬化收缩力大，在底板的收缩应变的过程中，使混凝土中的纵向钢筋产生了预压应力。若混凝土的收缩当量为15。C，则钢筋的预应力将可达到31.5N/mm2，例如湖南省邮政电信管网中心大楼研测得到的筏板钢筋预压应力就可达到30.25N/mm2，相当于十分之一的设计强度，从而在正常工作状态下抵消了一部分的拉应力，使钢筋的实际受力变小了；另外，基础底面和地基土之间巨大的摩擦力起着一定程度的反弯曲作用。摩擦力是整栋建筑的客观边界条件，不能视而不见。特别是对于天然地基的箱形和筏形基础来讲，地基土都比较坚实，变形模量和基床系数都比较大，则基础底板的内力和相应的挠曲率势必会相应减少。
1.3.3除了上述等因素外，最主要的是上部结构和地下室整体刚度的贡献，并参与了基础的共同抗力，起到了拱的作用，从而减少了底板的挠曲和内力，对若干工程基础受力钢筋的应力测试表明，在施工底部几层时，基础钢筋的应力都是处于逐渐增长的状态，变形曲率也逐渐加大。但施工到上部第4、5层时，钢筋的应力达到最大值。然后随着层数以及其相应的荷载逐步增加，底板钢筋的应力又逐渐减少，变形曲率也逐渐减缓。其原因是，在施工到第4、5层时，已建的上部结构的混凝土尚未达到强度，刚度也尚未完成，这时的上部荷载全部由基础底板来独自承担。但随着继续往上施工，上部结构的刚度逐渐的形成，并逐渐加大，和基础底板形成整体作用，共同抗力，则产生了拱的作用，使基础底板的变形趋于平缓。例如某工程，地下2层，地上10层，箱形基础实测显示：钢筋应力随着底部楼层施工的增高而增大，当施工至连同地下室共5层时,基础底板钢筋应力最大值为30N/mm2，第5层以后，底板钢筋应力随楼层施工的增高反而减小了，结构封顶时,底板钢筋实测最大应力确只有4N/mm2。
所以从上述的诸多工程事例中可以看出，高层建筑基础底板实际所承受的弯曲内力远远小于常规计算值，有很大的内在潜力。所以结构工程师在具体工程项目的设计中，必须细心把握，否则基础截面厚度和配筋量都会比实际所需的大得多，会造成很大的浪费，给业主带来一定的损失。
2高层主楼与地下室车库之间的处理
2.1在大、中城市的写字楼、商住综合楼及住宅建筑中，有时为解决有足够的汽车停放位置，需要设置地下停车库。当主楼及部分裙房所占地面积较大时，在建筑物下设多层地下室，将部分用作停车库，这是常见的第一种地下汽车库形式。现在一些住宅小区和商住综合楼楼群中，为了有较好的生活环境，建筑物之前设有庭院绿化，利用地下空间设置1至2层停车库，并与楼房连通，这是近十年来出现的第二种地下汽车库形式。
2.2应该采取有效措施使主楼与裙房基础的沉降差值在规范允许的范围内，或通过计算确定沉降差异所产生的基础及上部结构的内力和配筋，也可以不设置沉降缝。为使裙房基础沉降量接近主楼基础沉降量,减少沉降值差异，通常设计时可采取下列措施；
（1）裙房基础埋置在与高层主楼基础不同的土层，使裙房基底持力层土的压缩性大于高层主楼基底持力层土的压缩性；
（2）裙房采用天然地基，高层主楼采用桩基础或复合地基；
（3）裙房基础应尽可能减少基础底面面积，不宜采用满堂基础，以柱下单独基础或条形基础为宜，并考虑主楼基底压力的影响。
(4).一般当裙房地下室需要有防水处理时，地面也可采用抗水板的做法，柱基之间设梁支承抗水板或者无梁平板，在抗水板下铺设一定厚度的宜压缩材料，如泡沫聚苯板或干焦碴等，使之避免因柱基或条形基础梁基础沉降时抗水板反而成为满堂基础筏板。易压缩材料的厚度可根据基础最终沉降值估计。抗水板上皮至基底的距离不宜小于1m，抗水板下原有土层不应夯实处理，当压缩性低的土层可刨松200mm。抗水板做法如下图所示:
3．结语
地下室的结构设计是一个综合性很强的问题，涉及内容繁多且复杂，因此无论是从技术还是从经济的角度讲都需要我们更深入地研究地下室结构设计的技术问题，提高设计水平，真正做到技术与经济同步、安全与适用协调。
参考文献：
1、高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3—2002.北京:中国建筑工业出版社,2002，
2、建筑地基基础设计规范GB50007—2002.北京:中国建筑工业出版社,2001
4、李国胜,李军军.高层建筑主楼与群房或地下车库之间的基础设计.建筑结构,2005年第7期