高层建筑地下室与基础设计.doc

高层建筑结构地下室和基础设计应注意的问题摘 要：高层建筑地下室与基础设计远比一般建筑更复杂，它具有荷载大、埋置深及沉降计算要求严的特点，在高水位情况下还需进行基础抗浮验算。在选择基础形式时与建筑物的使用性质、上部结构类型、地质情况、抗震性能、对周围建筑物的影响及施工条件等有密切的关系。因此，对高层建筑结构的地下室和基础设计应引起设计者的高度重视。关键词：高层建筑结构 地下室 高层基础 抗震性能 抗浮验算 高层建筑宜设地下室，其基础设计，应综合考虑建筑场地的地质状况、上部结构的类型、施工条件、使用要求，确保建筑物不致发生过量沉降或倾斜，满足建筑物正常使用要求；还应注意与相邻建筑的相互影响，了解邻近地下构筑物及各项地下设施的位置和标高，确保安全。在地震区，高层建筑宜避开对抗震不利的地段；否则应采取可靠措施，使建筑物在地震时不致由于低级失效而破坏，或者产生过量下沉或倾斜。 基础设计需要降低地下水位的，还应注意降水的时间要求，以免停止降水后，水位上升使建筑物发生上浮等问题。高层建筑应采用整体性好、能满足地基承载力和建筑物容许变形要求并能调节不均匀沉降的基础形式；宜采用筏板基础或带柱基的筏板基础，必要时可采用箱形基础。当地质条件好且能满足地基承载力和变形要求时，也可采用交叉梁式基础或其他基础形式；当地基承载力或变形不满足设计要求时，可采用桩基或复合地基。高层建筑高宽比大于4的建筑，基础底面不宜出行零应力区；高宽比不大于4的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。计算时，质量偏心较大的裙楼与主楼可分开考虑。基础应有一定的埋置深度。在确定埋置深度时，应综合考虑建筑物的高度、体型、地基土质、抗震设防烈度等因素。埋置深度可从室外地坪算至基础底面，并宜符合下列要求：1. 天然地基或复合地基，可取房屋高度的1/15；2.桩基础，可取房屋高度的1/18（桩长不计在内）。当建筑物采用岩石地基或采取有效措施时，在满足地基承载力、稳定性要求前提下，基础埋深可比规定适当放松。地基可能产生滑移时，应采取有效的抗滑移措施。高层建筑的基础和与其相连的裙房的基础，设置沉降缝时，应考虑高层主楼基础有可靠的侧向约束及有效埋深；不设沉降缝时，应采取有效措施减少差异沉降及其影响。高层建筑基础的混凝土强度等级不宜低于C30。当有防水要求时，混凝土抗渗等级应根据工程埋置深度满足地下工程防水技术规程GB50108-2008相关要求，必要时可设置架空排水层。抗震设计时，基础宜沿两个主轴方向设置基础系梁，剪力墙基础应具有良好的抗转动能力。1 地下室设计应注意的问题1.1 高层建筑宜设地下室，其地下室顶盖作为上部结构的嵌固端时，地下室顶板应避免开设大洞口；地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积除应符合设计要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍；地下室顶板的梁柱节点左右梁端截面同一方向实配的受弯承载力与下柱上端同一方向实配的受弯承载力之和，不应小于上柱下端实配的受弯承载力的1.3倍。地下室与上部对应的剪力墙墙肢端部边缘构件的纵向钢筋截面面积不应小于地上一层对应的剪力墙墙肢边缘构件的纵向钢筋截面面积。1.2 高层建筑地下室设计，应综合考虑上部荷载、岩土侧压力及地下水的不利作用影响。地下水位标高应综合历年最高水位和使用年限内可能的最高水位慎重选择确定。扩大地下室尚应满足整体抗浮要求，可采取降排水、加配重或抗拔锚桩（杆）等措施。1.3 高层建筑地下室不宜设置变形缝，当超过伸缩缝最大间距时，可每隔30m40m设置贯通顶板、底部及墙板的施工后浇带，带宽不宜小于800mm；后浇带可设置在柱距三等分的中间范围内以及剪力墙附近，其方向宜与梁正交，沿竖向应在结构同跨内；底板及外墙的后浇带宜增设附加防水层；后浇带浇灌时间宜滞后2个月以上，其混凝土强度等级应提高一级，并宜采用无收缩混凝土，低温入模。1.4 高层建筑主体结构厚底板与扩大地下室薄底板交界处应力较为集中，该过渡区适当予以加强是十分必要的，所以该处截面厚度和配筋应适当加强。1.5 按新规范要求高层建筑地下室外墙设计应满足水土压力及地面荷载测压作用下承载力要求，其竖向和水平贯通分布钢筋的配筋率不宜小于0.3%、间距不宜大于150mm。高层建筑地下室外周回填土应采用级配砂石、砂土或灰土，并应分层夯实，压实系数不应小于0.94。提高和控制高层建筑地下室周边回填土质量，对室外地面建筑工程质量及地下室嵌固、抗震，抗倾覆均较为有利。1.6 有窗井的地下室，应在窗井内部设置分隔墙，且分隔墙宜与地下室内墙连通成整体。2 基础设计应注意的问题2.1 目前国内高层建筑基础设计较多为直接采用电算程序得到的各种荷载效应的标准组合和同一地基或桩基承载力特征进行设计，风荷载和地震作用主要引起高层建筑边角竖向结构较大轴力，将此短期作用与永久作用同等对待，加大了边角竖向结构的基础，相应重力荷载长期作用下中部竖向结构基础未得以增强，导致某些高层建筑出现地下室底部横向墙体八字裂缝典型盆式差异沉降现象。建议重力荷载与风荷载组合时，承载力特征值可适当提高1.11.2倍，重力荷载与地震作用组合时，承载力特征值可按现行建筑抗震设计规范予以提高。因此，高层建筑基础设计应以减小长期中立荷载作用下地基变形、差异变形为主，计算地基变形时，传至基础地面的荷载效应采用正常使用的极限状态下荷载效应的准永久组合，不计入风荷载和地震作用。按地基承载力确定基础底面积及埋深或按单桩承载力确定桩数时，传至基础或承台底面的荷载效应采用正常使用状态下荷载效应的标准组合。2.2 参照重庆、深圳、厦门及国外工程实践经验，高层建筑结构基础嵌岩时，宜在基础周边及底面设置砂质或其他材质褥垫层，垫层厚度可取50100mm，不宜采用肥槽填充混凝土做法。2.3 筏板基础的平面尺寸应根据地基土的承载力、上部结构的布置及其荷载的分布等因素确定，可取消偏心距计算。2.4 平板式筏基的板厚可根据受冲切承载力计算确定，尚应考虑不平衡弯矩作用在冲切面上的附加剪力，板厚不宜小于400mm。切冲计算时，应考虑作用在冲切临界截面重心上的不平衡弯矩所产生的附加剪力。2.5 当地基比较均匀、上部结构刚度较好，上部结构柱间距及柱荷载的变化不超过20%时，高层建筑的筏板基础可仅考虑局部弯曲作用，按倒楼盖法计算时地基反力可视为均布，其值应扣除底板及其地面自重，并可仅考虑局部弯曲作用。当地基、上部结构刚度较差，或柱荷载及柱间距变化较大时，筏板内力宜按弹性地基板分析。当不符合上述条件时，宜按弹性地基板计算。2.6 筏形基础应采用双向钢筋网片分别配置在板的顶面和底面，钢筋间距不宜小于150mm，也不宜大于300mm；受力钢筋直径不宜小于12mm。2.7 梁板式筏基梁宽小于柱宽时，可将肋梁在柱边加腋，并满足构造要求。墙柱的纵向钢筋贯通基础梁，并从梁上皮起满足锚固长度的要求。2.8 梁板式筏基的梁高取值应包括底板厚度在内，梁截面应满足正截面受弯及斜截面受剪承载力，并应验算基础梁顶面柱下局部受压承载力。梁高不宜小于平均柱距的1/6。当满足地基承载力时，筏型基础的周边不宜向外有较大的伸挑扩大。当需外挑时，有肋梁的筏基宜将梁一同挑出。2.9 筏板基础，当周边内部有钢筋混凝土墙时，墙下可不再设基础梁，墙按一般梁或深梁进行截面设计。周边有墙时，当基础底面已满足地基承载力要求，筏板可不外伸，有利减小盆式差异沉降，有利于外包防水操作。当需要外伸挑扩大时，应注意满足其刚度和承载力要求。2.10 桩基的设计应因地制宜，各地区对桩的选型、成桩工艺、承载力取值有各自的成熟经验，不少省、市有地区规范。当工程所在地有地区性地基设计规范时，可依据该地区规范进行桩基设计。桩基选择和承台设计应根据上部结构类型、荷载大小、桩穿越的土层、桩端持力层土类、地下水位、施工条件和经验、制桩材料供应条件等因素综合考虑。2.11 桩基的竖向承载力、水平承载力和抗拔承载力等确定，应以静载试桩结果为依据，有利于保证安全性和经济性。试桩依桩长、岩土不同等取不利情况选择，按照勘探报告提供的桩基设计参数和桩基规范经验系数法得到的桩基承载力可作为设计参考。2.12 布置应符合要求：2.12.1等直径桩的中心距不应小于3倍桩横截面的边长或直径；扩底桩中心距不应小于扩底直径的1.5倍，且两个扩大头间的净距不宜小于1m；2.12.2布桩时，宜使各桩承台承载力合力点与相应竖向永久荷载合力作用点重合，并使桩基在水平力产生的力矩较大方向有较大的抵抗矩；2.12.3平板式桩筏基础，桩宜布置在柱下或墙下，必要时可满堂布置，核心筒下可适当加密布桩；梁板式桩筏基础，桩宜布置在基础梁下或柱下；桩箱基础，宜将桩布置在墙下。直径不小于800mm的大直径桩可采用一柱一桩；2.12.4应选择较硬土层作为桩端持力层。桩径为d的桩端全截面进入持力层的深度，对应粘性土、粉土不宜小于2d；砂土不宜小于1.5d；碎石类土不宜小于1d。当存在软弱下卧层时，桩端下部硬持力层厚度不宜小于4d。抗震设计时，桩进入碎石土、砾砂、粗砂、中砂、密实粉土、坚硬粘性土的深度尚不应小于0.5m，对其他非岩石类土尚不应小于1.5m。2.13 甲级设计等级的桩基础、建筑体型复杂或桩端一下存在软弱土层的乙级设计等级的桩基础、对沉降有严格要求的建筑的桩基础以及采用摩擦型桩的桩基础，应进行沉降计算。受较大永久水平作用或对水平变位要求严格的建筑桩基，应验算其水平变位。2.14 桩与承台的连接应符合下列要求： 2.14.1 桩顶嵌入承台的长度，对大直径桩不宜小于100mm，对中小直径的桩不宜小于50mm；2.14.2 为保证桩与承台的整体性及水平力和弯矩可靠传递，桩顶嵌入承台应有一定长度，桩纵向钢筋应可靠地锚固在承台内，其锚固长度应符合规范的有关规定。2.15 箱形基础的平面尺寸应根据地基土承载力和上部结构布置以及荷载大小等因素确定。外墙宜沿建筑物周边布置，内墙沿上部结构的柱网或剪力墙位置纵横均匀布置，墙体水平截面总面积不宜小于箱形基础外墙外包尺寸的水平投影面积的1/10。对基础平面长宽比大于4的箱形基础，其纵横水平截面面积不应小于箱基外墙外包尺寸水平投影面积的1/18。2.16 箱形基础的高度应满足结构的承载力、刚度及建筑使用功能要求，一般不宜小于箱基长度的1/20，且不宜小于3m。此处箱基长度不计墙外悬挑板部分。2.17 箱形基础的顶板、底板及墙体的厚度，应根据受力情况、整体刚度和防水要求确定。无人防设计要求的箱基，基础底板不应小于300mm，外墙厚度不应小于250mm，内墙的厚度不应小于200mm，顶板厚度不应小于200mm，可用合理的简化方法计算箱形基础的承载力。2.18 箱型基础墙体的门洞宜设在柱间居中的部位，洞口上下过梁应进行承载力计算。2.19 当地基压缩层深度范围内的土层在竖向和水平力方向皆较均匀，且上部结构为平立面布置较规则的框架、剪力墙、框架-剪力墙结构时，箱形基础的顶、底板可仅考虑局部弯曲计算。计算时底板反力应扣除板的自重力及其上面层和填土的自重，顶板荷载按实际考虑。整体弯曲的影响可在构造上加以考虑。箱形基础的顶板和底板钢筋配置除符合计算要求外，纵横方向支座钢筋尚应有1/3至1/2的钢筋连通，跨中钢筋按实际需要的配筋全部贯通。钢筋接头宜采用机械连接；采用搭接接头时，搭接长度应按受拉钢筋考虑。2.20 箱形基础的顶板、底板及墙体均应采用双层双向配筋。墙体的竖向和水平钢筋直径均不应小于10mm，间距均不应大于200mm。除上部为剪力墙外，内、外墙的墙顶处宜配置两根直径不小于20mm的通长构造钢筋。2.21 上部结构底层柱纵向钢筋伸入箱形基础墙体的长度应符合下列要求： 2.21.1 柱下三面或四面有箱形基础墙的内柱，除柱四角纵向钢筋直通到基底外，其余钢筋可伸入顶板底面以下40倍纵向钢筋直径处；2.21.2 外柱、与剪力墙相连的柱及其他内柱的纵向钢筋应直通到基底。参考文献：1 李国胜.高层混凝土结构抗震设计要点M.北京：中国建筑工业出版社，2009.2 混凝土结构设计规范关键技术应用M. 北京：中国建筑工业出版社，2010.3 沈蒲生.高层建筑结构设计M. 北京：中国建筑工业出版社，2006.4 袁锦根.工程结构M.上海：同济大学出版社，2009.5 地下防水工程M. 北京：中国建筑工业出版社，2008.