地下结构的设计与优化

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　　摘要：进入二十世纪以来，伴随着我国经济的高速发展以及城市建设的不断进行，土地价值不断攀升。为了提高建设用地的利用效率，地下结构在城市建设中得到了广泛应用，高层建筑设置地下室，可以增强建筑本身的水平作用承载能力，提高结构的抗倾覆性能，增强结构的安全性。在软土地区设置地下室，还可以增强基础的整体性，对结构的沉降控制非常有利。本人主要分析了如何对地下结构进行设计与优化。
　　关健词：地下结构；地下室；设计
　　
　　与地上结构相比，地下结构受力相对较为复杂，除结构自重外，通常还会受到土压力、水压力、地震荷载、人防荷载以及顶板活荷载的作用，每一种荷载工况下的荷载组合内力也往往较大。另外，地下结构的防水要求一般较高（例如一般高层建筑的地下室防水等级均为一级），裂缝控制相对较为严格，所以往往地下结构的单位面积建造成本较地上建筑有较大幅度的增加，据统计，单层地下室每平米的含钢量往往在150～220Kg范围，当顶板覆土较重，或顶板范围活荷载较大时，单位平方含钢量还会增加。因此，地下结构的建造成本占项目建造总成本的比例往往较高，地下水位较高的软土地区的建设项目尤为如此。为了节约建造成本，有些项目人为的削减结构的设计可靠度，甚至少算、漏算荷载，采用不合理的结构设计方案，采用过于苛刻的限额设计方案。导致不少地下结构在使用过程中，结构裂缝、漏水等安全事故现象频发，给人民生命财产和国民经济带来巨大损失。所以，如何对地下结构进行经济、合理的设计显得非常重要。
　　迄今为止，本人直接完成了多个项目的地下结构设计工作，并对这些项目建成后的建设成本、结构质量、使用效果等进行了跟踪调查，通过实践不断吸取经验教训，从而提高地下工程的设计质量。下面以本人参与设计的“上海市松江区鑫山汇众苑--四期住宅-商业综合体（象屿都城）”地下室设计为例，对地下结构的设计要点进行简要分析。
　　该项目位于上海市上海市松江区九亭镇（靠近沪松公路、定浦河路路口），项目建筑总面积约25万平米，其中项目四期所包括的住宅-商业综合体建筑总面积约10万平米，设两层地下室，地下室占地约１.6万平米，其中地下一层为地下商场,层高为4.8m；地下二层属人防地下车库，层高为4.5m。人防结构设计由上海市沪防建筑设计院完成。基础底板板面标高为-9.3m，底板厚度为800mm。地面以上由八幢高层住宅单体和一幢多层商业联合体共同组成。
　　1、顶板荷载计算
　　顶板分为两个区域，一部分位于住宅单体与商业联合体建筑范围内，该范围地下室顶板位于上部建筑室内，该区域简称A区域。另一部分地下室上部无任何上部建筑，顶部覆土厚度为45～90cm，该区域简称B区域。
　　A区域:根据地下室顶板上部室内空间的建筑使用功能的不同，统一根据荷载规范取大值4.0KPa。
　　B区域：主要考虑顶板地面的消防车荷载，根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2001(2006年版)4.1.1条第8栏规定，进行楼板配筋设计时，楼面的车辆活荷载的取值要根据楼盖区格的大小、车辆满载总重的不同而取值，对于不符合直接查表条件时，应将车轮的局部荷载按结构效应等效的原则，换算为等效均布荷载。
　　为了最大限度的增加建筑室内净高，本工程地下室顶板采用井字梁楼盖。主要柱网区格为8.1×8.1m，井字梁区格为2.7×2.7m。板厚180mm，不符合《建筑结构荷载规范》直接查表的条件，根据《建筑结构荷载规范》4.4.1条及附录B，本工程消防车荷载取值计算如下：
　　1.1、覆土为45cm时的消防车活荷载
　　结构受力分析时，顶板覆土荷载作为地下室顶板恒荷载输入，消防车荷载作为顶板活荷载输入。对于满载重量为300KN的大型车辆，最大轮压为60KN，作用面积为0.6×0.2m,轮压扩散角取45度;其轮压荷载作用简图如下：
　　
　　计算楼板等效均布荷载时，偏于安全的按每区格承受中后轮共计4个轮压的作用，根据荷载规范附录B提供的计算方法，均布荷载计算如下：
　　Bx=0.2+2s+h=0.2+2×0.45+0.18=1.28m
　　By=(1.4+0.6)+2s+h=2+2×0.45+0.18=3.08m
　　Q1=2×P/(Bx*By)=2×60/(1.28×3.08)
　　=30.4KPa
　　结合上面的计算结果并查阅有关文献后确定：板跨区格尺寸为2.7×2.7m,覆土45cm时消防车活荷载取值为Q1=30KPa。
　　此时地下车库顶板恒荷载为：
　　P1=25×0.18+18×0.45+0.5=13.1 KPa
　　基本组合下顶板荷载设计值为：
　　R11=1.2×13.1+1.4×30=58KPa
　　R12=1.35×13.1+0.98×30=47.1KPa
　　1.2、覆土为90cm时的消防车活荷载
　　按照1.1条所采用的计算方法，可求得：板跨区格为2.7×2.7m，覆土90cm时的消防车活荷载为Q2=25KPa
　　此时地下车库顶板恒荷载为：
　　P2=25×0.18+18×0.9+0.5=21.2 KPa
　　基本组合下顶板荷载设计值为：
　　R21=1.2×21.2+1.4×25=60.5KPa
　　R22=1.35×21.2+0.98×25=53.1KPa
　　综上可得，对于板区格为2.7×2.7m，覆土厚度为45～90cm的区域，鉴于1.1、1.2荷载工况下的荷载基本组合最大值（分别为R11=58KPa，R21=60.5KPa）相差不大，为便于建模荷载输入，此时可以偏于安全的统一按1.2荷载工况取值，即恒载取P=P2=21.2 KPa,活载取Q=Q2=25KPa。
　　1.3、跨度不小于2m的单向板
　　对于部分跨度不小于2m的单向板，符合规范直接查表的条件，根据《建筑结构荷载规范》50009-2001（2006年版）第4.1.1条，消防车荷载可取35 KPa。
　　1.4、楼面梁、墙、柱及基础配筋计算时的顶板活荷载
　　根据荷载规范4.1.2条规定，计算楼面梁时的活荷载可折减，折减系数如下：
　　对单向板楼盖的主梁取0.6；
　　对双向板楼盖的梁取0.8；
　　计算墙、柱和基础时的活荷载折减系数为：
　　对单向板楼盖取0.5；
　　对双向板楼盖取0.8；
　　因此，在进行地下结构板、梁、柱及基础建模分析时，应采用不同的设计活荷载，鉴于目前国内通用的PKPM设计软件尚不具备对此类荷载的自动折减功能，所以结构内力分析时我们应采用两个模型分别输入不同的活荷载，作为顶板，或者梁、柱、基础配筋设计的依据。
　　1.5、顶板荷载取值注意事项
　　地下室顶板的覆土荷载一般习惯于按恒载输入，但进行地下室抗浮计算时，覆土荷载的考虑要根据施工现场的降水条件，降水措施拆除时间，顶板覆土步骤逐一分析，选择最不利时间点的荷载工况进行抗浮计算。一般情况下，当地下室采取降水措施时，我们应选择降水措施刚刚拆除时（此时地下室所受浮力最大），顶板可能覆土厚度最少时的工况为荷载条件进行荷载计算。
　　此外，当地下室顶板上兼有景观覆土、消防车道时，为节约建造成本，我们对景观覆土、消防车道的布置情况应进行仔细分析，避免设计过程中采用了过大的顶板设计荷载。例如：消防车道、消防登高场地往往是局部设置，结构设计时不能全范围考虑消防车荷载。另外，消防车道及登高场地的设置部位往往覆土厚度相对较薄，而覆土厚度最大的部位往往是景观种植区域，此区域一般都不会设消防车道及登高场地。因此，我们不能在考虑消防车活荷载的同时，又按最大覆土恒荷载进行楼板设计，而应选择两种荷载工况的较大值进行荷载取值，避免不必要的浪费。

　　2、楼盖配筋设计
　　地下室顶板设计与一般楼板设计的最大差别是，地下室顶板荷载受力一般较大，且防水抗裂要求更为严格。根据《地下工程防水技术规范》GB50108-2008第4.1.7条第1款规定:防水混凝土结构厚度不应小于250mm；根据以往地下工程设计经验，此条一般多适用于地下室外墙、底板等建筑防水措施相对较薄弱的部位，而地下室顶板由于一般都采用了较好的建筑防水措施，其厚度则可适当降低，当顶板设计荷载及地下室埋深不是很大时，最小可做到180～200mm。
　　地下结构一般可采用主次梁体系楼盖、无梁楼盖、井字梁楼盖及十字梁楼盖等。由于建筑方案设计要求，本地下室顶板采用了井字梁楼盖体系，该楼盖体系的最大优点是楼板室内效果较为规则、美观，框架梁及井字梁截面高度较一般主次梁体系的楼盖可适当降低，有利于实现相对较优的室内装修效果。
　　需要指出的是：由于结构防水要求限制，地下结构楼板厚度往往较大，在不增加楼板配筋率的情况下，楼板本身的承载力已经很大。此时采用对楼板区格划分较细的井字梁楼盖在经济性上往往没有什么优势，而采用无梁楼盖及普通主次梁楼盖体系的地下结构则在造价上往往相对较为节省，实际设计时采用哪种楼盖体系应根据楼面荷载大小、防水要求以及建筑美观等多方面因素综合确定。
　　3、侧墙设计
　　本工程设两层地下室，地下一层层高为4.8m，地下二层层高为4.5m。鉴于工程周边环境较为复杂，邻近建筑物较多，为尽可能的减少工程的实施可能对既有建筑产生的不利影响，设计上对结构的自防水要求较为严格，地下室防水等级均为一级。地下室外墙裂缝控制宽度为0.2mm，经计算，地下室外墙设计厚度为350～400mm。计算模型按顶板铰接，中间楼层支座连续，底板固接的假定进行受力计算。地下室侧墙受水、土侧压力的共同作用，由上至下依次增大，呈三角形分布。本工程按水土分算法计算土体侧压力，土体侧压力系数取静止土压力系数（按《上海地基基础设计规范》DGJ08-11-2010第10.1.5条条文说明取值）。另外，进行侧墙土压力作用计算时还需考虑坑边堆载的影响，一般情况下，对民用建筑，基坑边堆载可取10KPa。鉴于本工程基础施工时将采用灌注桩-水泥搅拌桩作为基坑的围护结构，在侧墙配筋设计时，也可适当考虑围护结构对侧墙产生的卸荷作用等有利影响。
　　 为节约工程建造成本，地下室侧墙配筋可参照连续梁的配筋方式。对于两层地下室侧墙，其室内一侧的正弯矩钢筋可逐层通长配置；室外一侧的负弯矩往往在中间支座及基础支座部位较大，实际配筋时可先布置相对较少的通长钢筋，然后在负弯矩较大的支座部位针对性的布置一些附加钢筋。相比一般的双层双向配筋方式而言，这样的配筋模式可以十分有效的节省地下室侧墙的用钢量，使侧墙配筋更为合理化。
　　地下室侧墙属于地下室较易开裂部位，特别对于一些超长地下室，极易产生收缩裂缝，形成漏水隐患。本工程地下室平面尺寸约为165×105m,不设任何伸缩缝或沉降缝；其平面长度大大超出规范要求，容易产生温度收缩裂缝。对此，本工程在实际设计过程中，适当增加地下室侧壁的水平分布筋配筋率（本工程侧墙的水平分布钢筋配筋率为0.30～0.40间）, 合理控制配筋间距，并采用补偿收缩混凝土浇筑，选择收缩小的水泥品种，合理控制水泥用量；严格控制混凝土的水灰比、塌落度和外加剂掺量，并在适当位置设置贯通地下室的温度后浇带、沉降后浇带，后浇带采用膨胀混凝土浇筑，利用后浇带混凝土的延期浇筑，一定程度上补偿后浇带两侧混凝土凝固时产生的温度收缩变形，从而有效增加混凝土结构的自防水性能。
　　另外，混凝土的养护工作对混凝土结构成型质量的优劣至关重要，地下室侧壁混凝土浇筑完毕后，严格做好混凝土结构的养护工作，采取必要的辅助养护措施（如草袋洒水养护等），保证混凝土外表面在混凝土浇筑后至少14d内保持潮湿状态，减少混凝土凝固过程中产生的混凝土收缩，避免裂缝产生。本工程地下室部分截至2011年8月已基本施工完毕，据现场跟踪观察，在采取上述措施之后，本工程在控制地下室裂缝产生、杜绝漏水隐患方面取得了较为理想的效果。
　　4、地下室抗浮及抗拔桩设计
　　上海地区的地下水位一般埋深较浅，常年最高地下水位一般位于地表以下50cm，所以，上海地区的地下结构一般均要进行抗浮计算。地下室抗浮设计分为两个阶段，分别为施工阶段和使用阶段。
　　在施工阶段，地下室通常要进行降水作业，为了节约降水成本，随着施工的进行，降水设施会逐渐拆除，所以施工阶段的最高地下水位是逐渐变化的。对于顶板上有覆土的地下结构，覆土一般不会一次全部完成，覆土厚度会随着施工的进行而不断增加，所以施工阶段的荷载工况相对较为复杂，地下结构所受的水浮力及相应抗力应根据不同的降水阶段，不同的覆土厚度分阶段确定，不能笼统的采用最高水位和最大覆土厚度进行核算。
　　在使用阶段，由于抗浮计算时不考虑顶板活荷载，且抗浮计算时的最高水位一般较容易确定，所以使用阶段的荷载工况则相对较为简单。需要强调的是，地下结构抗浮验算时，应分别对地下室整体和局部分别做抗浮分析，其中局部抗浮验算是抗浮设计的重点。
　　在抗浮计算中，当结构自重与顶板覆土重之和（对于边跨可考虑压脚板及压脚板范围的覆土自重对抗浮的有利影响）小于水浮力时，则需设置抗拔桩。抗拔桩起到抵抗水浮力的作用，主要承受上拔力，因此对于抗拔桩，通常要进行单桩抗拔承载力计算和桩身强度、裂缝验算。另外，对于设置抗拔桩的地下室，其结构竖向（向下）荷载仍然主要由地基土承受。根据变形-受力原理，地基产生承载力的前提是地基发生沉降变形，所以，抗拔桩设置时应选择合适的桩端持力层，通常应采用端阻力相对较小的土层作为桩端持力层，否则还应进行抗拔桩桩身受压承载力计算。
　　鑫山汇众项目抗拔桩采用钻孔灌注桩，桩径600，单桩长度为25m，桩身单桩抗拔承载力设计值为600KN，桩身配筋为HRB400 12Φ16;鉴于抗拔桩随着桩体埋深的增加，桩身截面所受抗拔力逐渐减小，所以桩身配筋由上至下可逐渐减小。所以为了节约桩基成本，本工程抗拔桩在桩身底部10m配筋减小至HRB400 8Φ16。此外，鉴于有上部建筑的地下室区域采用的是纯桩基基础形式，所以为了整个工程在基础形式保持一致（采用纯桩基设计方案），纯地下室区域的抗拔桩在满足抗浮计算需要的同时，还满足了柱下抗压承载力（即纯桩基）设计要求。
　　
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