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高层建筑地下室结构设计相关问题研究

贾少文?谢汇

摘 要：经济的飞速发展使城市高层建筑的地下室空间利用变得尤为重要，然而地下室在建造过程中面临着诸多问题亟待解决。本文就高层建筑地下室结构设计特点及相关问题进行粗浅的讨论。
关键词：高层建筑；地下室；结构设计
高层建筑地下空间的建设不仅要参考居民的生活需求，更要满足人们对地下空间的防灾要求，并且随着居民对地下空间的需求越来越大，地下工程的建设在整体项目中所占比例也会持续增长，然而地下空间的建设难度较大，设计很多复杂的技术问题，结构设计的好坏将直接影响整个项目的建设周期、施工费用和完工效果。所以，本文旨在分析高层建筑地下室结构设计相关问题，以期为相关技术人员提供一定的参考意见。
1 高层建筑地下室结构设计特点
地下室结构体系应参考地面建筑体系。在项目前期方案协同设计的时候，应当尽量使地下室的承重构件同地面建筑的承重构件相对应，使荷载得以通过地下室的承重构件直接传至地基基础。
根据弹塑性工作阶段设计钢筋混凝土结构构件。由于结构的动力响应可能会降低结构设计的可靠性，所以不妨先使结构构件进入塑性工作状态，使之吸收更多能量，提高材料的设计强度，这样就可以使材料尽可能得到完全利用，有利于提高经济效益。
在爆炸动荷载状态下只进行强度计算，不计算变形、裂缝和地基承载力。
重视地下室结构抗震要求，提高抗塌毁能力。此设计特点要求地下室设计初期综合考虑使用的材料强度等级、结构构件的最小厚度和最小配筋率等等，另外还需结合地面高层建筑设计嵌固端构造和超长结构差异沉降处理等。
2 高层建筑地下室结构设计相关问题
2.1 抗浮问题
对设置了大底盘地下室的高层建筑来说，塔楼部分通常都不存在抗浮问题，然而裙房和地下室部分却通常发生设计不符合要求的情况，笔者在这里提出几点解决该问题的方法：
1.确定科学合理的抗浮设防水位。
2.尽可能標高基坑坑底，以此间接降低抗浮设防水位。具体来说可以通过采用平板式筏板基础和楼盖采用宽扁梁或无梁楼盖的方式来实现。平板式筏板基础的重量基本等同于低板位梁板式筏板基础上填覆土的重量，然而低板位梁板式基础的基础高度往往高于平板式筏板基础；宽扁梁的截面高度是跨度的十六分之一至二十二分之一，地下室结构中使用宽扁梁或无梁楼盖将显著降低地下结构的层高，以此间接降低了抗浮设防水位。
3.增加地下室重量。增加地下室重量能有效解决地下室的抗浮问题，并且能够增加主体结构的有效填埋深度，以此提高主体结构的地基承载力特征值，然而使用这种方法必须充分考虑地基土的实际承载力，切忌顾此失彼。
4.采用平板式筏板基础。通常情况下平板式筏板其基础重量大约等于“低板位”梁板式筏板上的填覆土，但平板式筏板其基础的高度却低于“低板位”梁板式筏板上的填覆土。以北京某工程中的南、北两地下车库为例，北区地下车库采用了平板式筏板基础，厚度为700毫米，南区采用了“低板位”梁板式筏板基础，基础梁长度为1300毫米，仅仅只因为这个原因，南区就比北区施工时的基坑深度要深60厘米，如图所示。
图1 南、北区基础示意图（a为北区，b为南区）
2.2 不均匀沉降问题
若非高层建筑有坚实的岩石地基，不均匀沉降问题几乎是所有高层建筑群必须面对的问题，要处理好建筑群的不均匀沉降问题大致可以通过以下3种方法。
采用人工处理地基。相关数据显示，相比普通桩基，采用CFG桩的工程造价要低三分之一至二分之一，CFG桩不仅技术相对更加成熟，而且更具经济性。通常根据不同高层建筑群地基处理程度的不同，采用方法1：CFG桩地基处理+设置沉降后浇带和方法2：CFG桩地基处理+不设置沉降后浇带两种方式处理不均匀沉降问题。方法1适用于处理程度较低的地基，通过设置沉降后浇带来解决施工期间一定程度的沉降差，这种方法可以减少CFG桩的使用数量从而降低经济成本，但一方面设置沉降后浇带会延长基坑的降水时间，从而增加降水费用，另一方面沉降后浇带不允许主体结构长期呈四边嵌固的状态，因此并不利于高层建筑的整体结构在施工期间维持稳定性。方法2对地基的处理程度要求较高，由于不设置沉降后浇带，因此必须对主体结构的最终沉降量进行严格的控制，缺点是方法2的经济性相对较差。
主体结构采用桩基础不仅能有效控制主体结构的最终沉降量，而且解决了地基的承载能力限制问题，但是主体结构采用桩基础的工程造价相对较高，通常只用于超高层建筑群或者地基状况不佳的情况。
利用合理的计算尽量补偿高层建筑可能发生的沉降量，考虑基坑开挖后基坑坑底的土反弹量都能在一定程度上解决建筑的不均匀沉降问题。
2.3 地下室结构超长问题
地下室结构过长是多数高层建筑普遍具有的问题，一般采用设置伸缩后浇带的处理方式：当地下结构长度在40米至60米的区间时，则应当设置一道宽度约为80cm至100cm、钢筋贯通不切断的伸缩后浇带了；如果地下结构长度是大于60m的超长结构，则应当根据钢筋搭接所需最小尺寸和必要操作空间的实际情况设置钢筋断开的伸缩后浇带。除了设置伸缩后浇带，当然也可以采用如在混凝土中添加微膨胀剂、采用低强度等级的混凝土、设置膨胀加强带、加大结构的钢筋配筋量等方式解决地下室结构超长的问题。
3 结语
高层建筑的地下室结构涉及到很多复杂的知识，并且有很多问题现在也尚未解决。俗话说，千里之堤毁于蚁穴，地下室结构的安全问题牵动着越来越多人的心，相信我国学者今后也将致力于解决地下室结构设计的相关问题，提高高层建筑地下室结构设计的水平。
参考文献
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