開敞地下室高層結構設計淺析
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摘要：隨著現(xiàn)代城市建設規(guī)模的擴張，高層建筑屢見不鮮，建設場地標高復雜化現(xiàn)象也愈發(fā)普遍。為避免深挖高填，場地豎向標高設計時將盡可能契合現(xiàn)狀地面標高，因此可能出現(xiàn)地下室周圈室外覆土面標高不同的情況。如一側室外地面標高同頂板覆土面，另一側室外地面標高同底板面，上述情況將大大影響高層的結構設計。本文通過對此類高層整體受力及穩(wěn)定性計算進行分析，介紹了上部結構及基礎設計所采取的措施，可為類似項目提供參考。
關鍵詞：高層結構；敞開地下室；基礎無埋深；地基整體穩(wěn)定性
1工程概況
本項目位于福清市?？阪?zhèn)則徐大道南側，305省道東側，由7棟分別為28~33層的高層住宅組成，下設一層（局部兩層）地下室。擬建場地屬于丘陵坡地地貌，地勢北高南低，西高東低。因場地標高變化急劇，方案設計為避免深挖高填，南側地下室底板標高已大致與室外地面標高持平。
2設計條件及待解決問題
2.1設計基本條件
根據(jù)《建筑結構可靠性設計統(tǒng)一標準》的規(guī)定，本工程設計基準期為50年，結構的設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》的規(guī)定，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第三組，建筑物場地類別為Ⅱ類。根據(jù)《建筑抗震設防分類標準》的規(guī)定，本工程抗震設防類別為標準設防類（丙類）。基本風壓：WO=0.80kN/m2（50年一遇）；地面粗糙度C類，風荷載體型系數(shù)按照《高規(guī)》附錄計算取1.34。根據(jù)地勘資料，場地土層揭示如下：1雜填土；2粉質(zhì)黏土；3全風化凝灰熔巖；4砂土狀強風化凝灰熔巖；5碎塊狀強風化凝灰熔巖；6中風化凝灰熔巖。高層基礎采用旋挖灌注樁，持力層取中風化凝灰熔巖。
2.2結構設計所存在問題
本項目因地下室南向全敞開，與通常情況下全埋地下室有所區(qū)別，所帶來問題如下。（1）上部結構設計時，地下室是否需定義為裙房，即本項目是否屬于帶大底盤多塔結構。（2）基礎設計時，主樓基礎面標高同現(xiàn)有室外地面標高，埋深不滿足建筑地基基礎設計規(guī)范的要求：在抗震設防區(qū)，除巖石地基外，天然地基上的箱形和筏形基礎其埋置深度不宜小于建筑物高度的1/15；樁箱或樁筏基礎的埋置深度（不計樁長）不宜小于建筑物高度的1/18。
3上部結構受力分析及設計
3.1受力分析
首先，當高層建筑帶裙房時，因受建筑條件限制，塔樓結構質(zhì)心與底盤結構質(zhì)心普遍存在偏心，在水平力作用下，結構容易產(chǎn)生較為復雜的扭轉振動。其次，與常規(guī)全埋地下室側墻四面圍合有所不同，非全埋地下室側墻往往出現(xiàn)單側或兩側無側墻的情況，此現(xiàn)象將進一步造成地下室剛度中心與質(zhì)量中心偏離，加劇扭轉效應。再者，地下室一般為框架結構體系（主樓范圍外），柱位少而疏；上部高層一般為剪力墻結構，剪力墻多而密，二者之間抗側剛度存在顯著差異。上述多種因素下，帶敞開地下室的高層結構在水平力作用下，無側墻一側的地下室遠端將存在明顯的扭轉效應。對此，為削弱此類結構的扭轉效應，可沿地下室開敞一側人為增設鋼筋混凝土外墻，使地下室四周側墻圍合，形成側向剛度很大的結構體系。在水平力作用下，此地下室側向變形將趨近于零，地下室遠端的扭轉效應將被大大削弱。分別取地下室側墻不圍合與圍合兩種模型計算，其結果對比如圖1、圖2。側墻不圍合時，一層最大層間位移角分別為：X向地震工況下為1/2961；Y向地震工況下為1/9999，X向風荷載工況下：1/3291，Y向風荷載工況下：1/7001側墻圍合時，一層最大層間位移角分別為:X向地震工況下為1/9999；Y向地震工況下為1/9999，X向風荷載工況下：1/9999，Y向風荷載工況下：1/9999。側墻不閉合時，一層最大位移比及最大層間位移比均為1.41，側墻圍合時，一層最大位移比及最大層間位移比均為1.13。故在采取此措施后，此類地下室可認為與普通全埋地下室并無太大差異，不屬于主體結構的裙房，上部結構亦不屬于多塔結構。
3.2上部高層包絡設計及構造加強措施
（1）敞開地下室雖人為增設側墻封閉，但由于室外無覆土約束，上部單體結構應偏于安全按無地下室進行設計，計算高度取至地下室底板面。（2）上部單體雖按嵌固于基礎面設計，但地下室頂板的實際約束作用不可忽略，需另按嵌固于地下室頂板面進行包絡設計。（3）當?shù)叵率翼敯宀豢杀苊獯嬖诟卟钭兓瘯r，為保證頂板位置水平力傳遞路徑的連續(xù)有效，頂板高低差處均采取加腋措施，防止頂板形成錯層結構，造成傳力途徑中斷。
4基礎受力分析及設計
4.1基礎形式選取
根據(jù)地勘報告，本工程采用旋挖灌注樁基礎，樁身直徑900mm，持力層取為中風化凝灰熔巖，樁長約20m，樁身混凝土強度采用水下C35，樁身配筋取14根20，樁身配筋率約為0.69%。
4.2基礎受力分析
根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB5007—2011）第5.1.3條，“高層建筑基礎的埋置深度應滿足地基承載力、變形和穩(wěn)定性要求。位于巖石地基上的高層建筑，其基礎埋深應滿足抗滑穩(wěn)定性的要求?！薄督ㄖ鼗A設計規(guī)范》（GB5007—2011）第5.1.3條條文說明，“根據(jù)相關工程實踐經(jīng)驗和科研成果，在考慮了地震作用和地基的種種不利因素，并采用圓弧滑動面法進行分析后可知，高層建筑地基整體穩(wěn)定安全系數(shù)隨基礎埋深增加而提高。”規(guī)范關于基礎埋深的相關規(guī)定，旨在保證建筑地基整體穩(wěn)定性?？紤]到建筑抗震設計規(guī)范中，建筑物抗震設防以“三個水準”作為設防目標，即實現(xiàn)建筑物“小震不壞、中震可修、大震不倒”為最終目的，結合地基基礎設計規(guī)范及抗震設計規(guī)范，當建筑物基礎無埋深時，若建筑物基礎在小震及大震工況下，均能滿足抗傾覆、抗滑移的穩(wěn)定性驗算，則認為該基礎設計滿足建筑地基整體穩(wěn)定性要求，并符合抗震設計關于建筑物“三個水準”的抗震設防目標。因地下室非全埋，無室外覆土約束，在水平力作用下，基底彎矩及剪力將直接由基樁承受?；讖澗刈饔孟拢簶兑粋仁芾?，一側受壓；剪力作用下，基樁在承臺作用下共同受剪?；A力學模型簡化如圖3。因此小震及大震工況下，若基樁均能承受相應工況下的產(chǎn)生的最大水平剪力、拉力、以及壓力，則認為該基礎設計可滿足相關規(guī)范的要求。
4.3基礎驗算
本文暫以大震工況下基礎受力驗算進行分析。4.3.1基樁受壓驗算根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94—2008），樁身抗壓強度：N≤ΨcfcAps+0.9fyAS考慮大震工況，fc取fck，fy取fyk，不考慮鋼筋折減系數(shù)，成樁工藝系數(shù)Ψc取0.8，則樁身抗壓強度標準值：N≤0.8×23.4×635850+4396×400=13661kN經(jīng)計算，大震工況下基樁最大壓力圖如圖4。基樁最大壓力約為12700kN，小于樁身抗壓強度，大震工況下基樁受壓驗算滿足要求。4.3.2基樁受拉驗算不考慮混凝土抗拉強度，根據(jù)樁基規(guī)范，單樁抗拉強度標準值即為樁身鋼筋抗拉強度標準值，Nt≤fykAS=400×4396=1758kN。經(jīng)計算，大震工況下基樁最大拉力圖如圖5?；鶚蹲畲罄s為1100kN，小于樁身抗拉強度標準值，大震工況下基樁受拉驗算滿足要求。4.3.3基樁抗剪驗算根據(jù)樁基規(guī)范，對于樁身配筋率ρg≥0.65%的灌注樁，可按下列公式計算單樁水平承載力特征值：Rh＝0.75×α3EI/νxχoa其中：d0＝d-2cαE＝Es/EcW0＝πd[d2+2（αE-1）ρg·d02]/32EI＝0.85EcI0b0＝0.9（1.5d+0.5）α＝（m·b0/RI）1/5計算可得：Rh=626kN則地震作用時，樁基水平承載力：RhaE＝1.25Rha＝783.3kN單樁水平承載力特征值取350kN進行計算。經(jīng)計算，大震工況下基底剪力：Vx=21493kNVy=29612kN設計總樁數(shù)為65根，樁基整體抗剪承載力標準值為：65×350×2=45500kN大震工況下基樁抗剪承載力驗算滿足要求。綜上，大震工況下，該基礎設計滿足地基與基礎設計規(guī)范中關于整體穩(wěn)定性的要求。
5結論
雖本項目高層建筑因沒有埋置深度，對其抗震性及整體穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的不利影響，但經(jīng)合理的結構設計及采取必要的加強措施后，此類建筑亦能滿足相應的安全性及抗震性，實際設計中采取的具體措施如下：（1）人為增設地下室側墻并使之圍合，減小開敞地下室的不利影響；（2）通過對大震工況下的樁基計算，保證其基礎整體穩(wěn)定性；（3）加強頂板、底板的厚度及配筋率，并對頂板、底板高低差位置進行加腋處理。
參考文獻：
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[2]GB50011—2010.建筑抗震設計規(guī)范[S].
[3]GB5007—2011.建筑地基基礎設計規(guī)范[S].
[4]JGJ94—2008.建筑樁基技術規(guī)范[S].
作者:黃超峰 單位:北京華巨建筑規(guī)劃設計院有限公司福州分公司