摘要:随着现代化进程不断加快、人口急剧涌向城市,大量高层建筑拔地而起。其中,地下室发挥着地下车库、设备用房等用途,重要性不言而喻。而考虑到地下室结构所处的环境,设计人员在进行结构设计时需要囊括很多方面,因此必须不断学习、总结地下室结构设计的要点。鉴于此,本文就地下室设计及不均匀沉降处理策略进行研究,以期能对同仁有所帮助。
关键词:高层建筑;地下室;不均匀沉降
前言
随着社会发展,现代城市建设中出现了越来越多的高层建筑,同时地下室也在不断兴起。设置地下室对高层建筑有很多有益的方面,如有利于减少地震带给上部结构的影响、提高地基土的承载力等。但同时也有很多不利方面,比如,容易给主楼带来各种各样的质量问题。且高层建筑地下室隐蔽性大,涉及的工种多,施工极其复杂。因此,高层建筑地下室设计的合理性一直是结构设计的一个焦点,地下室结构设计的好坏将会直接影响施工工期以及建造费用。
1 高层建筑地下室结构概述
近年来,为了适应城市发展的需要,城市建设中逐步加大了地下空间的开发力度,进而提高了城市地下空间的利用率。随着地下室结构和功能的不断扩展和复杂化,地下空间开发建设的投资成本也在不断上升。此外,由于地下环境的不确定性等问题,高层建筑地下室的施工比地面普通建筑的施工难度更大,而地下室结构设计也就成了整个建筑结构设计的重要组成部分。高层建筑地下室不仅起着正常的服务作用,还承受着来自地面的压力载荷。因此,建筑地下室结构设计应遵循以下原则:(1)结构基础设计的合理性。在设计中要结合建筑区的地质地理环境特点,分析地下室周围环境对地下室结构及施工条件的影响,并在综合考虑各种因素的基础上,选择经济可行的设计方案。(2)结构设计方案的合理性。在地下室结构设计中,应充分考虑高层建筑的特点,合理选择高层建筑地下室结构形式,确保设计方案的优化。
2 高层建筑地下室设计要点
2.1 地下室底板、外墙防水抗渗设计
地下室底板设计根据实际情况分析,可以分为底板处于地下水水位以上与底板处于地下水水位以下两种。如果地下室底板高于地下水水位,并且无压力状态下,地下室的底板设计可以与地面工程处理相同,先浇筑200-300mm厚的混凝土,然后再做底板的面层;如果地下室底板低于地下水水位,这样地下室的底板除了受到上部建筑的重力还会受到地下水的浮力,所以就要求采用钢筋混凝土施工,并且在地下室底板垫层设置防水层,以防渗漏。地下室的外墙应按挡土墙设计,如用钢筋混凝土或素混凝土墙,应按计算确定,其最小厚度除应满足结构要求外,还应满足抗渗厚度的要求。
地下室可采用止水条、止水钢板和止水带进行防水设计,其各自的特点如下:①止水条价格便宜,施工方便,止水效果最差,一般用于地下水位以上次要防水部位;②止水钢板价格最高,施工难度最大,止水效果最好,一般适用于地下水位以下的竖向及水平施工缝,因其刚度太大,不适宜用在变形大的部位;③止水带价格、性能、施工难度介于止水条和止水钢板之间,适用范围广,因其韧性大,更适宜用在变形较大的有沉降变形要求的部位。
2.2 地下室抗浮设计
由于目前对于地下水抗浮问题还缺乏系统研究,现行标准中对地下室抗浮设计也仅作了概念性规定,地下室抗浮失效导致结构开裂破坏的事故时有发生。在以往地库上浮破坏案例中,导致车库底板上浮破坏主要有以下因素1、抗浮措施靠后续的房心回填以及顶板覆土阶段,在施工过程中遇到暴雨极端天气,基坑被水浸泡,排水措施不足,导致结构上浮!2、设计有抗拔桩、抗浮锚杆等,施工过程中施工人员轻视抗浮措施用途,多数项目在施工抗拔桩时施工质量较差,存在抗拔桩钢筋笼随意,漏放!抗拔管桩掏土深度不够,钢筋锚固不足等,隐蔽验收不过关,埋下隐患!3、水文地质情况勘察有误,地下水位情况突变!设计不足!
尤其是中庭地下室顶板尚未覆土,一场暴雨足以导致底板上浮、开裂。设计抗浮验算中要充分考虑抗浮水位,满足自重和浮力的比重,不足部分要采取加重、抗浮锚杆等措施。底板配筋考虑水浮力工况,与基础连为一体,增加整体刚度,在设计水浮力下保证满足正常使用开裂宽度。
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2.3 地下室人防结构设计
地下室人防工程作为现代建筑的配套设施,其通常与现代建筑工程的单体工程相连而建。地下室人防工程在平时使用过程中可以当作车库、地下储藏室或者地下商业来使用。而在发生战争时,人防工程可以作为避难场所使用,这样充分发挥了地下室人防工程的使用价值。
带人防的下室顶板可采用无次梁大板结构体系,这是为了充分利用人防顶板板厚较大(>200mm)的特点。采用无次梁大板结构体系,可以显著降低用钢量。板的配筋方式:普通梁板结构体系(井字梁或十字梁)的板块尺寸小,板配筋多为双层双向通长构造配筋。但不设次梁的大板块尺寸大,配筋大多数是计算配筋,配筋方式为构造筋双层双向通长,另外布置附加钢筋。由于顶板的人防等效荷载比较大,如果用弹性板计算,支座负筋太大,无法配置。另外,人防荷载作用下可以考虑塑性内力重分布,所以采用塑性板算法计算板内力,配筋结果比较合理。但必须按照平时、战时计算配筋包络值配筋。
地下室底板采用无梁楼盖结构体系。无梁楼盖底板特点:①省去底板地粱,节约钢筋,减少含钢量。无梁楼盖底板配筋与梁板式底板相比,板厚较大,只有局部柱上板带支座附加底筋略大,其他部位均为构造配筋,总的配筋量基本相当,但是节省了地梁钢筋;②施工方便。无梁楼盖底板省去了地梁的基槽开挖和砖模砌筑,尤其减少了对板底土层的扰动,大大地降低了施工难度。
3 高层建筑不均匀沉降原因
3.1 设计因素
在进行高层建筑结构设计时,只满足地基承载力使用要求,但是没有对地基承载力之内的地基差异变形进行计算分析,这就很容易引发数据错误。而如果基础附近范围内的荷载与建筑荷载差异较大,又没有采取合理的地基处理措施,往往会造成不均匀沉降的产生。
3.2 地基处理方法不合理
高层建筑的地基处理方法种类较多,但是地基基础处理方法的选择需要根据工程实际情况选择。由于不同工程或者相同工程不同区域的地质条件相差较大,设计人员必须科学合理的确定地基处理方案,所以在某些情况情况下可能需要采用多种处理方案。但有时为了便于施工作业,相关人员往往只采用一种处理方式,从而造成高层建筑的不均匀沉降。
4 不均匀沉降处理策略
不均匀沉降问题在高层建筑地下室结构设计中有着非常高的发生率,所以要引起设计人员的重视。在处理时需要调节主楼部分和地下室部分的差异沉降,以此解决不均匀沉降问题。首先,可采用不同的基础形式,如主楼部分、裙房部分可以采用桩基础,若地基部分承载力较强,地下室可以采用天然基础,以此将地下室沉降量控制在较小的范围内。其次,通过地基处理等手段,方案设计中可以加大主楼部分地基土的自身刚度,应用水泥、砂石、粉煤灰等物料形成复合地基,从而减少主楼部分地下室基础的沉降。再次,在设计时须注意沉降缝的设计问题,尽量不要在高层建筑、裙房之间进行沉降缝的设计,一般情况下可以在岩层风化程度处于中等或者较强的基础上,在岩层埋入的上方位置设置端承桩即可解决沉降不均问题,该法多适用于风化岩层埋入深度较浅的建筑地下室施工设计中。设计时把握好主楼沉降量,设计人员结合以往的高层建筑工程地下室沉降问题处理经验,先对建筑主楼沉降量进行预估,之后设计主楼施工方案以及后浇带施工技术应用方案,要求施工单位在施工期间,先施工主楼,之后检查当前的施工环境是否符合后浇带施工标准,如果符合再进行后浇带技术的施工,以此对裙房、主楼之间的沉降差进行控制。最后,若建筑工程仅有一跨裙楼,设计时可以采用整体式基础,同时增加基础本身的刚度。
结语:
总之,加大高层建筑地下空间的开发有利于缓解城市土地资源短缺的局面,同时有利于促进高层建筑可用面积的最大化。但是,高层建筑地下室结构设计也是一个系统的过程,结构工程师必须对所涉及到的专业知识有较好的掌握,同时还应处理好与水电通风等相关方面的协调工作,并积极解决不均匀沉降问题,保证所设计的地下室安全可靠、功能达标、经济合理。因此,无论从技术还是经济的角度,我们都需要深入研究地下室设计的技术问题,进行高层地下室的最大优化设计,使高层建筑的地下室能够更好地为人们服务。
参考文献:
[1]黄晓珺.高层建筑地下室设计及不均匀沉降处理策略[J].地产,2019(16):68.
[2]刘剑.高层建筑地下室设计中的问题及优化策略探析[J].工程建设与设计,2019(12):19-20.
[3]熊菲.高层建筑地下室结构设计的要点探讨[J].门窗,2019(12):162.
论文作者:廖奕全
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/5/6