关键词：地下室；嵌固端；m值；错层高度；包络设计
前言
结构设计是建筑设计行业的基石，其设计的安全与否关乎着众多人员的生命安全。此外，在保证安全的前提下，采取较为经济性的设计方案也是作为一名合格的结构师应该具备的条件。结构设计的种类很多，就单独一栋含有地下室的高层建筑来说从下到上可以分为基础设计、地下室设计、地上结构设计。地下室设计作为一栋建筑的中间环节，其起着承上启下的作用，且随着大中小城市大量带有地下室的高层建筑诞生，安全、经济地进行地下室结构设计至关重要。
1.地下室的发展与运用
随着我国经济的快速发展，越来越多的高层建筑在大中小城市中耸立而起，然根据国家的相关设计规范可知，高层建筑的基础埋深必须满足一定的深度，故地下室随之而生。地下室不仅仅能充分利用高层建筑的基础埋深，还能作为地下停车库、地下人防等功能。随着高层建筑的产生，必然导致人员的密集，从而导致停车位远远满足不了要求，故将地下室用作地下停车库，其很好地解决了高层建筑带来的车辆密集，停车位不足的问题。此外，为保障战时人员的安全，地下室还往往兼作为地下室人防运用，以满足战时防空要求。
2.地下室主体结构计算过程
地下室是结构设计的主要组成部分，起着承上启下的作用，其设计过程与上部结构设计紧密相关，且其往往与基坑围护设计及人防设计紧密相关。与上部结构设计相比，地下室结构设计更显复杂性。现就地下室设计过程中的相关问题及其解决方法进行叙述。
2.1 整体建模过程
2.1.1 模型的确定
结构整体模型的建立是进行结构整体计算的前提，模型应能正确反应结构构件的相关性，整体模型建立的正确与否直接关系结构构件受力正确的与否。目前，国内结构主体整体建模及分析计算软件主要有中国建筑科学研究院编制的PKPM软件和北京盈建科软件有限责任公司研制的YJK软件。本文主要运用中国建筑科学研究院编制的PKPM软件进行整体建模的阐述。
地下室和上部结构往往组成一个大底盘多塔的结构体系，其中地下室作为上部结构的底盘，而上部结构作为立于地下室顶板的各个塔楼。根据需要地下室顶板可以设计作为上部结构的嵌固部位，也可以将上部结构的嵌固部位延伸至地下室底板。从而可见，地下室结构设计与上部结构设计紧密相关。本文仅就将地下室顶板作为上部结构的嵌固端进行叙述。
由于地下室和上部结构密切相关，且紧紧相连，为正确分析地下室主体结构和上部主体结构的受力情况，应正确建立各自的模型体系。以往由于计算机的限制，为了快速的进行地下室主体结构的设计，往往将除去主体范围内的地下室部分作为一个独立的计算模型，用于地下室主体结构的设计；而上部结构计算分析的模型，则带上相关范围内的地下室部分进行整体建模计算。此种做法，不足之处在于地下室主体结构分析模型中未考虑上部结构的整体影响。为避免地下室主体结构分析中未考虑上部结构的影响，且现如今计算机的快速发展提供了条件，故本文建议采用以下两个模型来考虑上部结构与地下室结构的相关影响。
1、模型一（地下室模型）：首先进行地下室结构的单独建模；之后将各个上部结构单体模型组装进入该模型；从而进行多塔结构整体计算；
2、模型二（上部结构模型）：将上部结构单体在地下室所投影的范围及其外扩的两跨作为上部结构的底部楼层进行建模，并进行整体计算。
2.1.2 荷载取值
地下室顶板上往往不仅仅包含各个上部结构单体，还分布有消防通道、消防登高面、汽车道、绿化带等。由于绿化要求，地下室顶板上室外（即除上部结构单体外的范围）均有不小于1m的覆土，且其上设有消防通道、消防登高面、汽车通道、绿化带，考虑工程的经济性，本文通过以下两个模型来考虑地下室顶板上覆土对其上活荷载的折减作用。
1、模型三（地下室模型之板配筋模型）：据《荷规》表5.1.1知，消防车通道活荷载取35KN/m2（假设为双向板楼盖，且板跨不大于3mx3m时）；再据《荷规》附录B计算知，考虑1m厚覆土时，消防车活荷载折减系数可取0.88；故此模型将消防车活荷载按31KN/m2（即35*0.88=30.8KN/m2）考虑。
2、模型四（地下室模型之梁、柱配筋模型）：据《荷规》第5.1.2条知，消防车活荷载（考虑覆土折减后的）对于梁计算时可以取0.8的折减系数；故此模型将消防车活荷载按25KN/m2（即35*0.88*0.8=24.64KN/m2）考虑。
2.2 设计模型前处理过程
设计模型前处理包括计算参数的定义、多塔定义、特殊构件定义等内容。
多塔定义根据工程需要进行设置，本文所述地下室模型（即模型一）属于大底盘多塔体系，故需进行多塔定义，具体过程在此不在累赘。
特殊构件定义即工程中特殊梁、板、柱及墙等构件的各种系数及抗震等级等的定义。据《抗规》可知，抗震等级直接决定着构件所采用的抗震措施（即包括抗震构造措施，强柱弱梁、强节点弱杆件、强剪弱弯等的调幅系数等）。本文所述的地下室模型（即模型一）是地下室顶板作为上部结构嵌固端进行设计的，其抗震等级据规范有特殊要求，故再此进行详细叙述。据《抗规》6.1.3条及《高规》3.9.5条知，地下一层相关范围（即主体结构投影范围及其外扩2跨的地下室范围）抗震构件的抗震等级应与上部结构构件相同，而地下二层及以下相关范围抗震构件的抗震构造措施可以降低一级；而地下室上部结构相关范围以外的纯地下室抗震构件的抗震等级可取三级或者四级。
计算参数的定义是每个工程均需要设置的，其与国家相关规范息息相关，包括总信息的设置、风荷载、地震荷载及活荷载信息的设置、调整信息的设置、设计信息的设置、配筋信息的设置、荷载组合信息的设置、地下室信息的设置等内容。本文由于着重叙述地下室结构设计，再此仅叙述与地下室结构设计密切相关的参数设置，即软件中的地下室信息设置中的“地基土水平抗力系数的比例系数m值”进行叙述。m值来源于《桩规》表5.7.5，其取值与地基土的类别有关，其取值的大小直接关系模型计算结果。据PKPM软件的用户手册可知，m值取为负数时，即假设地下室无水平位移；取为2.5~300之间时，即为根据各种地基土类别而定。据《桩规》表5.7.5表可知，m值得取值范围均在2.5~300之间，均不可能取至负数，然《抗规》及《高规》中的一些整体指标（如位移比、层间位移比、层间位移角等指标）均是在假设地下室无水平位移情况下提出的量化值。故本文提出m值得两种不同运用，即：1、当计算结构整体指标（如位移比、层间位移比、层间位移角等指标）时，m取为负数（即假定地下室无水平位移）；2、当计算结构除整体指标之外的结果（如构件配筋结果、轴压比等结果）时，则m取为2.5~300（按本具体工程所处的地基土类别，据《桩规》表5.7.5所取）。
2.3 计算结果的选用
地下室结构设计较之上部结构设计的主要不同之处在于多工况性，且由于现如今的计算软件还不够包络万象，故作为设计人员应根据不同情况建立多种模型，并采用相应的计算结果。不同工况下的模型，其计算结构也有较大的区别，应正确选用不同工况下的计算结果。地下室结构设计的计算结果采用主要包括两方面，即同工况不同参数的计算结果选用以及不同工况的包络设计两方面。
2.3.1同工况不同参数的计算结果选用
同工况不同参数的计算结果选用是指计算整体指标参数（如位移比、层间位移比、层间位移角、周期比等指标）时，应进行强制性刚性楼板假定；而计算结构的内力分析和配筋时则不应进行强制性刚性楼板假定。此外上述m值的取值也属同工况不同参数的计算结果选用。故针对本文上述的地下室模型（即模型一）应建立两个模型进行分析；其中设置强制性刚性楼板假定及m值取为负数的模型，仅作为结构整体指标参数的计算结果运用；而不进行强制性刚性楼板假定及m值据地基土类别取为正数的模型，仅用作除整体指标参数以外的计算结果。
2.3.2不同工况的包络设计
不同工况的包络设计是指应对不同的设计工况的相关部位进行包络设计，即根据不同的设计工况应建立相应工况下的计算模型，并对各工况下的计算结果进行包络取值。本文所述的地下室主体结构设计采用的包络主要有两方面，其具体如下所述。
1、地下室位于上部结构投影范围及其两跨范围内的地下室构件配筋结果，应采用本文前面所述的模型一和模型二进行包络设计。
2、地下室人防区域的配筋应由平时设计和战时设计进行包络设计。
3.地下室主体结构设计的关键问题
地下室由于要满足地下停车库的要求，其往往面积较大，且其上部存在各个高低层建筑，故应根据地下室面积及上部结构情况设置沉降缝和伸缩缝，其具体设置本文再此不在进行叙述。
根据上海地方的绿化要求，地下室顶板覆土厚度不得小于1.0m，另根据建筑要求室内外高差往往设置为0.3m，故导致主楼范围外的地下室顶板与主楼范围内的地下室顶板高差1.3m。据《上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则》知，错层高度≥1.2m时则结构属于特别不规则的建筑应进行专门研究和论证。为避免地下室设计进行专家论证，针对该问题本文建议采取了以下措施。
1、将主楼范围内的地下室顶板下降110mm，从而错层高度降为1.19m<1.2m，故结构不规则性从原先的特别不规则建筑降为1条超限的不规则建筑（1.2m>错层高度≥0.6m，算一条不规则指标）。
2、在地下室顶板高差1.19m处进行框架梁加腋和板加腋的构造加强措施。具体加腋构造措施做法详见下图。
4.结束语
地下室结构设计工程，属于大底盘多塔结构。为准确分析结构构件的受力情况，应进行整体建模（即将上部主体结构组装进地下室模型中），且上部结构单体进行建模时应附带上相应的地下室及其范围外两跨内的结构构件。地下室结构构件进行配筋时，应采用地下室整体模型及上部主体结构模型（模型含地下室及其外扩两跨的地下室构件）的包络计算结果。地下室的荷载工况较为复杂，为达到即安全又经济的进行设计，应合理进行多工况多模型建模，如上述中关于地下室顶板计算板、梁、柱配筋时的荷载折减不同导致的多模型计算结果采用。
计算参数是对于规范的量化，应正确理解各个计算参数意义，并正确进行取值。如上述的地下室工程中m值的取值，其直接关系着计算结果的正确与否。此外，设计人员应对结构体系的规则性有较清晰的判断，从而通过采取措施以避免结构出现特别不规则的情况，如上文中采取的降板措施等。
本工程中由于难点较多，故设计中翻阅了较多资料，并咨询了数位设计人员，对其中提到的问题进行探讨研究，最终较好地解决了所遇问题，使得结构安全可靠经济。
参考文献
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[4] 龙德才.地下室探讨[J].江西建材，2011（04）.
论文作者:熊少斌
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/9
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