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摘要: 现代高层建筑由于技术经济等各方面的因素,一般都设有大底盘地下室,本文简要介绍了高层建筑地下室结构设计中常见的一些问题, 从地下室的基础型式的选取及计算、外墙计算问题、抗浮问题、不均匀沉降问题四个方面展开叙述,针对以上问题提出了一些解决方案。
关键词:高层建筑；地下室；结构设计；问题
Abstract: the modern high-rise building due to technical and economic factors and so on various aspects, generally have large chassis basement, this paper briefly introduces some common problems in the design of high-rise building basement structure, from the basement of the foundation type selection and calculation, calculation problem in exterior, anti_floating, narrative uneven settlement problem from four aspects, and puts forward some solutions to solve above problems.
Key words: high-rise buildings; The basement; Structure design; The problem
中图分类号：TU97文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
引言
随着社会的发展, 高层建筑越来越多。城市建设中出现了大量的地下室及地下车库。将高层建筑的设备用房、地下消防水池和汽车停车位等设在地下室, 既能充分发挥地下室作用, 又能满足基础埋深的要求。因此。在高层建筑设计中, 地下室结构设计日显重要。现简要论述地下室结构设计中经常遇到的几个问题, 与同行共同探讨。
一、基础型式的选取及计算
现代高层建筑多为大底盘多塔楼式建筑群，由于上部结构荷载差异巨大，导致基底反力相差很大，因此，对基础而言，应根据不同的上部结构型式、荷载大小、地基的承载力及刚度等采用不同的基础型式。目前高层建筑中比较常用的基础型式有：筏板基础、箱型基础、桩筏基础和桩箱基础等。筏板基础是應用最多的一种基础型式，因此，就筏板基础的有关问题进行讨论。
1.平板式筏板基础和梁板式筏板基础的适用范围。相邻柱间距及柱荷载差别较小时适用平板式筏板基础，反之则宜采用梁板式筏板基础。此外，底板标高变化较多时宜采用平板式筏板基础。通常，在材料用量相当的情况下，梁板式筏板基础的刚度较平板式筏板基础大。
2.梁高、板厚的选取及计算方法。计算筏板基础时，目前常用的方法有“倒楼盖”法、弹性地基梁板方法和有限元分析方法。其中“倒楼盖”是一种传统方法，按该法进行基础设计时，基础内力按基底反力直线分布进行计算。按《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2002）(以下简称《规范》)的要求进行计算时，要求地基土比较均匀、上部结构刚度较好、荷载分布比较均匀、梁板式筏板基础梁的高跨比或平板式筏板基础的厚跨比不小于1/6，当不满足上述要求时应按弹性地基梁板计算。《规范》对基础梁高跨比和筏板厚跨比的要求，是要保证基础具有一定的刚度，但基础刚度应与基底反力的大小相匹配，对于层数较多的高层建筑而言，该要求很容易满足，但对于层数较少的高层建筑而言，该条款要求就显得偏严。
3.基础底板抗冲切验算及抗剪切计算。按《规范》第8.4.5条规定，梁板式筏基底板应满足受冲切承载力和受剪切承载力的要求，通过对跨度从6～10m、长宽比从1～3、板厚从400～1000mm变化的梁板式筏基底板的计算来看，梁板式筏基底板都是受冲切承载力起控制作用，因此一般的梁板式筏基底板可以不进行底板受剪切承载力的验算。对于平板式筏基而言，底板的柱下及核心筒边的抗冲切验算则必不可少，且应考虑不平衡弯矩的作用，尤其是边柱和角柱。
4.采用平板式筏板基础时，宜设置平面尺寸较大的柱帽。设置柱帽有以下优点：解决底板抗冲切问题；减小底板的计算跨度；减小支座负筋。
二、外墙计算问题
地下室外墙配筋计算容易走弯路。例如以前笔者用到的算法：在外墙配筋计算中，地下室外墙一律按双向板计算配筋；外墙扶壁柱按地下室结构整体电算分析结果配筋，未按外墙双向板传递荷载验算扶壁柱配筋。这种计算经常导致的情况是，按照外墙与扶壁柱变形协调的原理，计算后的外墙竖向受力筋配筋不足，扶壁柱配筋偏少，而外墙的水平分布筋偏大。经过认真总结，吸取前人经验，改进后的算法为：除了垂直于外墙方向有钢筋混凝土内隔墙相连的外墙板块，或外墙扶壁柱截面尺寸较大(如高层建筑外框架柱之间)的外墙板块，按双向板计算配筋外，其余的外墙均按竖向单向板计算配筋。竖向荷载(轴力)较小的外墙扶壁柱，其内外侧主筋也应予以适当加强。外墙的水平分布筋可根据扶壁柱截面尺寸大小，适当另配外侧附加短水平负筋予以加强，外墙转角处也同样予以适当加强。
地下室外墙计算时，底部为固定支座(即底板作为外墙的嵌固端)，侧壁底部弯矩与相邻的底板弯矩大小一样，底板的抗弯能力不应小于侧壁，其厚度和配筋量应匹配。这方面的问题在地下车道中最为典型。车道侧壁为悬臂构件，底板的抗弯能力不应小于侧壁底部。地下室底板标高变化处也经常发现类似问题：标高变化处仅设一梁，梁宽甚至小于底板厚度，梁内仅靠两侧箍筋传递板的支座弯矩难以满足要求。地面层开洞位置(如楼梯间)外墙顶部无楼板支撑，计算模型和配筋构造均应与实际相符。车道紧靠地下室外墙时，车道底板位于外墙中部，应注意外墙承受车道底板传来的水平集中力作用，该荷载经常遗漏。
三、抗浮问题
对于具有大底盘地下室的高层建筑群体而言，塔楼部分一般在使用阶段不会存在抗浮问题，但裙房及纯地下室部分经常会有抗浮不满足要求的问题，针对此种情况，结合笔者设计经验，总结出以下一些措施来解决该问题。
1.降低抗浮设防水位的措施：一是采用平板式筏板基础。一般而言，平板式筏板基础的重量与“低板位”梁板式筏板基础上填覆土的重量基本相当，但后者的基础高度一般要比前者高。二是楼盖提倡使用宽扁梁或无梁楼盖。一般宽扁梁的截面高度为跨度的 1/16～1/22,宽扁梁的使用将有效地降低地下结构的层高，从而相对降低了抗浮设防水位。
2.增加地下室的重量。如果设计中决定采取增加地下室重量的方法来解决抗浮问题的话，可以采用以下两种方法:一是增加基础配重。此种方法大致又有以下几种情况:①增加基础底板的厚度；②增加基础顶面覆土厚度；③基础顶面采用重度大且价格低廉的填料。这 3 种方法的共同特点是:在增加基础配重用以解决抗浮问题的同时又不可避免的增加了基础的埋置深度，从而相对地提高了地下室抗浮设防水位的高度，因此它不是一种效率最高的方法。二是增加地下室顶板的厚度。这种方法的优点是:在不增加基坑坑底标高的前提下,增加了地下室的重量，而且使用厚板后，地下室顶板的大板块之间可以不再设置次梁，既有利于其他专业的使用，又简化了施工工序；但此种方法的缺点是会略增加地下室顶板框架梁的负荷，而且由于板厚有限，这种方法解决抗浮问题的效果也是有限的。
3.设置抗浮桩。表面上看这是一种解决抗浮问题行之有效的方法，但仔细分析，这种方法也有一定的局限性，且不说设置抗浮桩的造价如何，单从结构受力方面讲，由于地下室的抗浮设防水位是根据拟建场地历年最高水位结合近几年的水位变化情况提出来的，即使是经过重新评估后确定的抗浮设防水位，也是按一定的统计规律得出的结论，很显然，这种方法确定的地下水位在一般的情况下是很难达到的，加之设计计算的不精确性也使得抗浮桩都具有一定的安全储备，因此“抗浮桩”实际上长期起着“抗压桩”的作用，这种“反作用”将阻碍有抗浮要求的地下室的合理沉降，而这种变化将会使不设缝的大底盘地下室在主体结构和裙房之间产生更大的不均匀沉降差，这正是我们在设计中想极力避免的；同时设置抗浮桩后，计算基础底板内力及配筋时应考虑地下水压力，这样也会增加基础底板的荷载。另外一方面，如果地下水位长期处于一种较高的水平之上，设置抗浮桩也不乏是一种有效的方式。因此，抗浮桩是一把双刃剑，使用时需仔细考虑。
四、不均匀沉降问题
不均匀沉降问题对于大底盘高层建筑群而言是一个必须面对而且必须得到很好解决的问题, 除非该建筑群直接坐落在坚硬的岩石地基上。而解决此问题大致有几种方法。
1.裙房和高层建筑之间设沉降缝，让各部分自由沉降，互不影响，避免由于不均匀沉降产 生的内力，这是所谓“放”的方法。但实际上这样做，给建筑的立面处理、地下室的防渗漏、基础的埋置深度和整体稳定等带来很多困难。
2.裙房和高层建筑之间不设沉降缝，采用端承桩，将桩端置于坚硬的基岩或砂卵石层上。这样，既满足了地基承载力要求，又避免了明显的沉降差。这是所谓的“抗”的方法。但這种方法基础材料用量多，不经济，一般用于超高层建筑或地基持力层较差的情况。
3.在设计中不设沉降缝，而采取一定的措施，调整地基反力，尽量减少不同部分的地基反 力差，从而减少沉降差。这是所谓“调”的方法。如：裙房部分采用天然地基，主楼部分采用复合地基或桩基。裙房和主楼部分采用不同的基础形式，主楼采用筏基或箱基，裙房采用独立基础或条形基础。目前，石家庄地区比较常用的方法是在主体结构部分采用CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）复合地基，在裙房及纯地下室部分采用天然地基。
4.在主裙楼之间设置沉降后浇带，钢筋不断，先施工主楼，待主楼封顶完成大部分沉降后，再施工裙房。两部分沉降基本稳定后再浇筑后浇带。这样，用调时间差的办法解决了沉降差，同时又避免了设置沉降缝带来的麻烦。这也是一种“调”的方法。
结语
高层建筑地下室结构设计是一个复杂的过程。高层建筑上部荷载大，基础埋深较深，地下室与基础设计的合理与否直接影响高层建筑的正常使用与造价。因此，设计时既要满足功能要求、安全可靠、经济合理，又要满足地下室结构这一特殊要求，以保证其正常使用。
参考文献
[1]中华人民共和国建设部．高层建筑混凝土结构设计技术规程(JGJ3—2002) [S]北京：中国建筑工业出版社，2002．
[2]中华人民共和国建设部．混凝土结构设计规范(GB50010-2002 [S]北京：中国建筑工业出版社，2002．
[3] GB 50007- 2002 建筑地基基础设计规范.
关键词:高层建筑；地下室；结构设计；问题
Abstract: the modern high-rise building due to technical and economic factors and so on various aspects, generally have large chassis basement, this paper briefly introduces some common problems in the design of high-rise building basement structure, from the basement of the foundation type selection and calculation, calculation problem in exterior, anti_floating, narrative uneven settlement problem from four aspects, and puts forward some solutions to solve above problems.
Key words: high-rise buildings; The basement; Structure design; The problem
中图分类号：TU97文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
引言
随着社会的发展, 高层建筑越来越多。城市建设中出现了大量的地下室及地下车库。将高层建筑的设备用房、地下消防水池和汽车停车位等设在地下室, 既能充分发挥地下室作用, 又能满足基础埋深的要求。因此。在高层建筑设计中, 地下室结构设计日显重要。现简要论述地下室结构设计中经常遇到的几个问题, 与同行共同探讨。
一、基础型式的选取及计算
现代高层建筑多为大底盘多塔楼式建筑群，由于上部结构荷载差异巨大，导致基底反力相差很大，因此，对基础而言，应根据不同的上部结构型式、荷载大小、地基的承载力及刚度等采用不同的基础型式。目前高层建筑中比较常用的基础型式有：筏板基础、箱型基础、桩筏基础和桩箱基础等。筏板基础是應用最多的一种基础型式，因此，就筏板基础的有关问题进行讨论。
1.平板式筏板基础和梁板式筏板基础的适用范围。相邻柱间距及柱荷载差别较小时适用平板式筏板基础，反之则宜采用梁板式筏板基础。此外，底板标高变化较多时宜采用平板式筏板基础。通常，在材料用量相当的情况下，梁板式筏板基础的刚度较平板式筏板基础大。
2.梁高、板厚的选取及计算方法。计算筏板基础时，目前常用的方法有“倒楼盖”法、弹性地基梁板方法和有限元分析方法。其中“倒楼盖”是一种传统方法，按该法进行基础设计时，基础内力按基底反力直线分布进行计算。按《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2002）(以下简称《规范》)的要求进行计算时，要求地基土比较均匀、上部结构刚度较好、荷载分布比较均匀、梁板式筏板基础梁的高跨比或平板式筏板基础的厚跨比不小于1/6，当不满足上述要求时应按弹性地基梁板计算。《规范》对基础梁高跨比和筏板厚跨比的要求，是要保证基础具有一定的刚度，但基础刚度应与基底反力的大小相匹配，对于层数较多的高层建筑而言，该要求很容易满足，但对于层数较少的高层建筑而言，该条款要求就显得偏严。
3.基础底板抗冲切验算及抗剪切计算。按《规范》第8.4.5条规定，梁板式筏基底板应满足受冲切承载力和受剪切承载力的要求，通过对跨度从6～10m、长宽比从1～3、板厚从400～1000mm变化的梁板式筏基底板的计算来看，梁板式筏基底板都是受冲切承载力起控制作用，因此一般的梁板式筏基底板可以不进行底板受剪切承载力的验算。对于平板式筏基而言，底板的柱下及核心筒边的抗冲切验算则必不可少，且应考虑不平衡弯矩的作用，尤其是边柱和角柱。
4.采用平板式筏板基础时，宜设置平面尺寸较大的柱帽。设置柱帽有以下优点：解决底板抗冲切问题；减小底板的计算跨度；减小支座负筋。
二、外墙计算问题
地下室外墙配筋计算容易走弯路。例如以前笔者用到的算法：在外墙配筋计算中，地下室外墙一律按双向板计算配筋；外墙扶壁柱按地下室结构整体电算分析结果配筋，未按外墙双向板传递荷载验算扶壁柱配筋。这种计算经常导致的情况是，按照外墙与扶壁柱变形协调的原理，计算后的外墙竖向受力筋配筋不足，扶壁柱配筋偏少，而外墙的水平分布筋偏大。经过认真总结，吸取前人经验，改进后的算法为：除了垂直于外墙方向有钢筋混凝土内隔墙相连的外墙板块，或外墙扶壁柱截面尺寸较大(如高层建筑外框架柱之间)的外墙板块，按双向板计算配筋外，其余的外墙均按竖向单向板计算配筋。竖向荷载(轴力)较小的外墙扶壁柱，其内外侧主筋也应予以适当加强。外墙的水平分布筋可根据扶壁柱截面尺寸大小，适当另配外侧附加短水平负筋予以加强，外墙转角处也同样予以适当加强。
地下室外墙计算时，底部为固定支座(即底板作为外墙的嵌固端)，侧壁底部弯矩与相邻的底板弯矩大小一样，底板的抗弯能力不应小于侧壁，其厚度和配筋量应匹配。这方面的问题在地下车道中最为典型。车道侧壁为悬臂构件，底板的抗弯能力不应小于侧壁底部。地下室底板标高变化处也经常发现类似问题：标高变化处仅设一梁，梁宽甚至小于底板厚度，梁内仅靠两侧箍筋传递板的支座弯矩难以满足要求。地面层开洞位置(如楼梯间)外墙顶部无楼板支撑，计算模型和配筋构造均应与实际相符。车道紧靠地下室外墙时，车道底板位于外墙中部，应注意外墙承受车道底板传来的水平集中力作用，该荷载经常遗漏。
三、抗浮问题
对于具有大底盘地下室的高层建筑群体而言，塔楼部分一般在使用阶段不会存在抗浮问题，但裙房及纯地下室部分经常会有抗浮不满足要求的问题，针对此种情况，结合笔者设计经验，总结出以下一些措施来解决该问题。
1.降低抗浮设防水位的措施：一是采用平板式筏板基础。一般而言，平板式筏板基础的重量与“低板位”梁板式筏板基础上填覆土的重量基本相当，但后者的基础高度一般要比前者高。二是楼盖提倡使用宽扁梁或无梁楼盖。一般宽扁梁的截面高度为跨度的 1/16～1/22,宽扁梁的使用将有效地降低地下结构的层高，从而相对降低了抗浮设防水位。
2.增加地下室的重量。如果设计中决定采取增加地下室重量的方法来解决抗浮问题的话，可以采用以下两种方法:一是增加基础配重。此种方法大致又有以下几种情况:①增加基础底板的厚度；②增加基础顶面覆土厚度；③基础顶面采用重度大且价格低廉的填料。这 3 种方法的共同特点是:在增加基础配重用以解决抗浮问题的同时又不可避免的增加了基础的埋置深度，从而相对地提高了地下室抗浮设防水位的高度，因此它不是一种效率最高的方法。二是增加地下室顶板的厚度。这种方法的优点是:在不增加基坑坑底标高的前提下,增加了地下室的重量，而且使用厚板后，地下室顶板的大板块之间可以不再设置次梁，既有利于其他专业的使用，又简化了施工工序；但此种方法的缺点是会略增加地下室顶板框架梁的负荷，而且由于板厚有限，这种方法解决抗浮问题的效果也是有限的。
3.设置抗浮桩。表面上看这是一种解决抗浮问题行之有效的方法，但仔细分析，这种方法也有一定的局限性，且不说设置抗浮桩的造价如何，单从结构受力方面讲，由于地下室的抗浮设防水位是根据拟建场地历年最高水位结合近几年的水位变化情况提出来的，即使是经过重新评估后确定的抗浮设防水位，也是按一定的统计规律得出的结论，很显然，这种方法确定的地下水位在一般的情况下是很难达到的，加之设计计算的不精确性也使得抗浮桩都具有一定的安全储备，因此“抗浮桩”实际上长期起着“抗压桩”的作用，这种“反作用”将阻碍有抗浮要求的地下室的合理沉降，而这种变化将会使不设缝的大底盘地下室在主体结构和裙房之间产生更大的不均匀沉降差，这正是我们在设计中想极力避免的；同时设置抗浮桩后，计算基础底板内力及配筋时应考虑地下水压力，这样也会增加基础底板的荷载。另外一方面，如果地下水位长期处于一种较高的水平之上，设置抗浮桩也不乏是一种有效的方式。因此，抗浮桩是一把双刃剑，使用时需仔细考虑。
四、不均匀沉降问题
不均匀沉降问题对于大底盘高层建筑群而言是一个必须面对而且必须得到很好解决的问题, 除非该建筑群直接坐落在坚硬的岩石地基上。而解决此问题大致有几种方法。
1.裙房和高层建筑之间设沉降缝，让各部分自由沉降，互不影响，避免由于不均匀沉降产 生的内力，这是所谓“放”的方法。但实际上这样做，给建筑的立面处理、地下室的防渗漏、基础的埋置深度和整体稳定等带来很多困难。
2.裙房和高层建筑之间不设沉降缝，采用端承桩，将桩端置于坚硬的基岩或砂卵石层上。这样，既满足了地基承载力要求，又避免了明显的沉降差。这是所谓的“抗”的方法。但這种方法基础材料用量多，不经济，一般用于超高层建筑或地基持力层较差的情况。
3.在设计中不设沉降缝，而采取一定的措施，调整地基反力，尽量减少不同部分的地基反 力差，从而减少沉降差。这是所谓“调”的方法。如：裙房部分采用天然地基，主楼部分采用复合地基或桩基。裙房和主楼部分采用不同的基础形式，主楼采用筏基或箱基，裙房采用独立基础或条形基础。目前，石家庄地区比较常用的方法是在主体结构部分采用CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）复合地基，在裙房及纯地下室部分采用天然地基。
4.在主裙楼之间设置沉降后浇带，钢筋不断，先施工主楼，待主楼封顶完成大部分沉降后，再施工裙房。两部分沉降基本稳定后再浇筑后浇带。这样，用调时间差的办法解决了沉降差，同时又避免了设置沉降缝带来的麻烦。这也是一种“调”的方法。
结语
高层建筑地下室结构设计是一个复杂的过程。高层建筑上部荷载大，基础埋深较深，地下室与基础设计的合理与否直接影响高层建筑的正常使用与造价。因此，设计时既要满足功能要求、安全可靠、经济合理，又要满足地下室结构这一特殊要求，以保证其正常使用。
参考文献
[1]中华人民共和国建设部．高层建筑混凝土结构设计技术规程(JGJ3—2002) [S]北京：中国建筑工业出版社，2002．
[2]中华人民共和国建设部．混凝土结构设计规范(GB50010-2002 [S]北京：中国建筑工业出版社，2002．
[3] GB 50007- 2002 建筑地基基础设计规范.