地下室工程结构设计探讨与研究
摘要：随着建筑层数的日益增高，地下结构已向多层发展，其结构设计、施工及防水等日益成为建筑工程界关注的热点。

由于地下室工程的施工环境特殊、隐蔽性大、涉及的工种多、施工复杂，也容易出现质量问题，因而对设计和施工有一定的特殊要求。

本文介绍了地下室结构设计难点，探讨了地下室工程结构设计。

关键词：地下室工程结构设计难点
中图分类号： tu318 文献标识码： a 文章编号：
随着时代的发展，城市人口越来越多，对住房的需求也越来越大。

但是城市土地面积是有限的，在充分利用地上空间的同时，地下的空间也显得越来越珍贵。

地下室的结构也朝着多层化发展，地下消防和地下室结构设计也成为工程界关注的焦点。

由于地下空间的环境和结构都有一定的特殊性，对地下室的设计和施工也必然存在很多复杂的地方，热容易出现一些问题。

因而地下室的实际施工都存在特殊要求。

一、地下室结构设计难点概述
地下室工程涉及的专业极为复杂，在建筑的地下室结构设计时，需综合考虑防火、使用功能、人防要求、设备用房及管道、坑道、排水、通风、采光等各专业的配合。

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。

而且由于实际地下室抗浮设计中往往只考虑正常使用极限状态，对施工过程和洪
水期重视不足，因而也会造成施工过程中由于抗浮不够而出现局部破坏，加上地下室防水工程是一项系统性工程，涉及设计、施工、材料选择等诸多方面因素，因此造成了地下室结构设计难点繁多，一般来讲概括起来为：（1）结构平面设计；（2）抗震（概念）设计；（3）地下室抗浮、抗渗设计；（4）外墙结构设计。

二、地下室工程结构设计探讨
1、建筑物的埋置深度
地下室的埋置深度在建筑设置地下室对建筑物结构的益处很多。

首先可以利用土的侧压力减小结构的滑移和倾覆,有利于上部结构的整体稳定性;其次可以减小土的重量,减少地基的附加压力和沉降;再由于基础具有一定的埋置深度,还可以减小地震作用对上部
建筑的影响。

地下室在具有足够的刚度、承载力和整体性的条件下,可作为基础结构的一部分,建筑物基础的埋置深度一定要满足地基承载力、变形和稳定性的要求,位于岩石地基上的建筑,其埋深应满足抗滑的要求。

在同一结构单元应全部设置地下室,并应当有相同的埋深。

2、建筑物的结构嵌固因素
首先要确定嵌固部位,在进行上部结构计算时,直接影响嵌固部
位到基础的弯矩,所以它对于结构分析和基础设计都是非常重要的,并直接关联建筑物的经济性和安全性。

结构嵌固部位的地下室顶板厚度,应当满足建筑物有地下室的一定条件时,常将地下室顶板作
为上部结构的嵌固部位,作为上部结构嵌固部位的地下室顶板厚度,
应综合考虑以下因素确定:
（1）上部结构的层数和设防烈度。

在地震作用下,上部结构的层数越多、设防烈度越高,结构底部剪力较大,就需要楼板有足够的刚度和整体性来分散和传递底部地震剪力;反之,对楼板的刚度和整体性要求就可降低。

（2）地下室的结构体系。

当地下室为钢筋混凝土剪力墙结构体系时,上部抗侧力结构的地震剪力主要通过地下室墙体直接来承担和传递,这时地下室顶板的分散和传递作用很小,甚至可以不考虑,地下室顶板的厚度主要由其所承受的竖向荷载确定。

当地下室为框架或框剪结构体系时,主要通过地下室顶板将上部抗震侧力结构的地震剪力分散和传递给地下室外墙及周边土体,这时就需要楼板有足够的刚度。

（3）地下室顶板的楼盖体系。

常用的楼盖体系有密肋梁楼盖、井字梁楼盖、平板式楼盖。

在楼板厚度相同的情况下,楼盖体系不同其刚度和整体性也不同,一般而言,密肋梁楼盖最好,井字梁楼盖次之,平板式楼盖最差。

显然,不考虑楼盖体系类型而仅追求楼板厚度的做法是片面的。

嵌固水平位移法将上部结构与地下室作为一个整体考虑,嵌固部位取在基础底板处,并根据地下室结构与相邻上部结构楼层侧向刚度比的大小,确定合适位置限定其水平位移为零。

楼层侧向刚度的计算方法有三种,分别是剪切刚度、剪弯刚度和楼层剪力与层间位移的比值。

三种方法含义不同,计算结果差别也较大。

当进行方案
设计时,地下室侧向刚度比可用剪切刚度比估计。

施工图设计时,取楼层剪力与层间位移的比值计算。

弹簧刚度法将上部结构与地下室作为一个整体考虑,嵌固部位取在基础底板处,并在每层地下室的楼板处引入水平弹簧刚度,其值的大小反映回填土对地下室约束作用的强弱。

satwe软件设有参数“回填土对地下室作用的相对刚度比”,其含义就是回填土的约束刚度与地下室本身抗侧移刚度的比值,若取值为0,表示不考虑回填土的约束作用;若取值在1到5表示回填土具有一定的约束作用,取值越大约束作用越强;若取值为负数m,表示地下室有嵌固部位,其下部的m层无水平位移。

3、回填土的约束作用
由于地下室一般都存在外墙,其侧向刚度大于上部结构。

同时,地下室与室外土层接触面积大,在地震作用下,阻尼增大导致振动衰减,降低了结构的动力效应。

此外,地震作用迫使与地下室接触的回填土发生相应的变形,导致土对地下室外墙及底板产生抗力,约束了地下室的变形,从而提高了地下室的刚度。

地下室的回填土质量直接影响着基础的埋置作用。

提高地下室四周的回填土质量,可以有利于吸收地震能量,减轻上部结构的地震反应,增强建筑物的整体稳定性。

国内外的调查资料表明,回填土的压实系数达到0.95以上时,建筑物地震反应减小的程度可达
20%~30%。

如果不能保证回填土和地下室外墙之间的有效接触,将降低基础的侧向刚度和转动刚度以及土对基础的约束作用。

因此,地
下室四周回填土应均匀地分层夯实,根据具体的情况控制合理的压实系数,保证回填土的质量。

当地下室外墙和基坑支护结构之间的净距太小而无法对回填土进行夯实时,宜采用素混凝土填充地下室外墙与基坑之间的缝隙。

4、地下室的抗裂措施
由于地下室的混凝土体量较大,而有些地下室长度超过了结构伸缩缝的最大间距,混凝土的干缩和施工期间的水泥水化热将会导致墙体及楼板的裂缝。

设计过程中一般可采用以下措施:
（1）设置施工后浇带后浇带作为混凝土早期释放约束力的措施已得到广泛应用。

（2）采用补偿收缩混凝土在混凝土中掺入uea等微膨胀剂,以混凝土的膨胀值抵消其收缩值,从而达到控制裂缝的目的。

（3）提高构件的抗拉性能增加外墙水平分布钢筋的配筋率,减小钢筋间距。

5、地下室及地面的活荷载情况
竖向荷载地下室与上部结构采用整体分析方法,不仅可以正确完成全楼的竖向导荷及内力计算,同时可以考虑地下室的变形对上部结构的影响,使计算结果更符合实际情况。

水平荷载地下室在地面以下不受风荷载的影响。

由地下室质量产生的地震作用主要被室外回填土吸收,只有小部分由地下室构件承担。

因此,在按照《建筑抗震设计规范》进行地震剪力调整时,地下室部分的最小地震剪力系数不满足要求时可以不调整。

当室外地面有经常性较大活荷载或振动荷载时,外墙应处于弹性工作状态,土压力应取静止土压力。

在地震作用下引起地下室结构在室外地坪处的水平位移和转角,这些强迫变位将引起作用于地下室外墙上土压力的增大,这部分增量往往难以准确量化,但在设计时应加以考虑。

三、工程举例
1、工程概况:工程场地部分略带斜坡,此外基本平整。

地上18层剪力墙结构,地下一层停车库、人防地下室。

总高度54m。

持力层为强风化岩或者中风化岩。

抗震设计:丙类。

2、此地下室结构设计要点分析。

（1）地下室顶板不置大洞口;顶板采取现浇梁板的结构,厚度
25cm;楼板的混凝土强度等级为c30,双向双层钢筋配置。

保证单方向配筋率超过0．25％。

（2）本工程地下室顶板是地面以上结构部位的嵌固部分,抗震等级与上部相同,采用三级抗震。

（3）主楼部分采用钻孔灌注桩基础，纯地下车库部分采用预应力管桩基础, 直径600的钻孔灌注桩,其单桩承载力数值2500kn，直径800的钻孔灌注桩,其单桩承载力数值4000kn，直径500的管桩,其单桩承载力数值1850kn。

（4）主楼的室内地下室部分和纯地下车库顶板承载力,考虑施工荷载后,取5kn每平方。

（5）此地下室用途之一是作为人防工程, 人防等级为核六级,本
工程核爆动荷载作用下等效静荷载标准值：顶板为75kn每平米, 侧壁为60 kn每平米。

（6）在和土壤相接处的侧壁保护层厚度取4cm,室内混凝土取1.5cm。

地下室侧面水平配筋在外围,垂直配筋在内部。

（7）本工程的地下室底板要以抗渗抗浮的计算为主要工作。

把地下水位的高度考虑在50年一遇的级别,抗渗级别设为p6,抗浮水头级别设为5.0m。

（8）地下室抗浮设计、验算。

地下室应当验算出地下的水压超没超过地下室恒载。

取恒载分项的系数设为0.9,水压分项系数设为1.0。

本工程纯地下车库部分恒载能力达不到地下室抗浮需求,利用直径500的管桩作为抗拔桩进行加强浮力抵抗的工作。

参考文献：
[1]杨照夫.金马同盛大厦地下室结构设计分析[j].科技创新导报，2009，18（24）：28-29.
[2]黄振.地下室结构设计与施工浅析，《中小企业管理与科技》，2008 年31 期。