济南市人防建筑设计研究院有限责任公司 山东济南 250014
摘要：高层建筑设置地下室，有利于地基土的承载力的提高以及降低地震作用对于建筑的上部结构的相应影响等许多优点。在进行高层建筑的地下室结构抗震设计时，设计人员需要进行相关的计算，进而根据地上建筑物与地下室之间的联系进行合适的建筑结构分析，从而选择合理的抗震设计，提高建筑物的质量。
关键词：高层建筑 地下室结构 抗震设计
1. 几种主要的地下结构抗震设计方法
1.1静力法
把地震作用当作等效的静力荷载进行抗震计算。它通常应用于地下管线、洞道的横截面抗震设计，它把地震时的土压力和结构物以及结构物以上覆土层作为外力考虑。这种方法的缺陷在于没有考虑土层与结构各自的振动特性及其相互间的关系。
1.2反应位移法
70年代，日本学者从地震观测入手，提出了地下线状结构抗震设计的反应位移法。其基本原理就是用弹性地基上的梁来模拟地下现状结构，把地震时地基的位移当作已知条件作用在弹性地基上，以求解在梁上产生的应力和变形，从而计算地下结构（隧洞、管道、竖井等）地震反应，公式可以简化为拟静力计算公式，K{U}=Ks{Ug}。式中的矩阵K包括地下结构的刚度Kt和地基抗力Ks。本方法的关键是确定地基变位{Ug}和抗力系数Ks，通常将Ks取为对角阵，则Ks相当于文科尔弹簧常数或地基土介质的弹簧常数。这种方法的理论基础是基于地震时支配地下结构地震反应的地基变形而不是结构物的惯性力。近年来，大多数地下结构，尤其是地下管线都把这种方法作为其抗震设计方法。
1.3动力反应分析法
主要适用于结构物形状和地质条件比较复杂时的地下结构抗震反应分析。它是采用有限元理论，将地震记录直接输入结构模型求得结构的动力反应。这种方法不仅可以求得结构受地震作用时反应的最大值，而且也可以观察到结构反应的全过程，同时也使结构的弹塑性反应分析成为可能。动力反应分析法又可细分为两种：一种是考虑土和结构的相互作用；另一种是不考虑土和结构的相互作用。前者将土与结构当作由一定的边界条件联系起来的整体系统来考虑，后者即不考虑结构的存在，把自由场的地震位移反应当作相应的结构地震位移反应。这种方法适用于任意的地下结构类型，同时考虑地基土的具体性质和结构的非线性，缺点是应用不便，难以得到规律性的结论，且其结果需要得到实验或理论解析的验证。
2. 高层民用建筑地下室结构设计难点
首先，要加强上部嵌固的抗震能力。因为上部嵌固部分一般是地下室顶板的部分，而地下室一层的抗震等级一般都是按照上部结构的具体情况来对其进行全面的测定，在这样的情况下，就必须要采取有效的措施不断的加强上部嵌固结构的抗震能力，首先，地下一层的抗震等级一定要比上部结构的抗震等级更高，其次是因为地下室顶板的厚度对承受荷载而言有着十分重要的作用，其地下室顶板所承受的纵向荷载和垂直荷载是非常关键的组成部分，在这样的情况下一定要减少开洞的问题，如果在这一过程中必须要对其开展开洞处理，就要采取有效的措施对洞口的面积加以控制，这样也就可以十分有效的避免或者是避免其强度大幅度降低，这样也就会对结构的竖向构件连接的刚度和强度不会出现突变的问题，构件的连续性也可以在这一过程中得到保障。
其次，严格按照地下室设计的要求去处理。按照相关的标准和规范，在地下室结构设计的过程中，我们一定要对地下室顶板的厚度加以控制，在厚度方面一定要在160mm以上，而上部的嵌固不为其地下室的楼板必须要在180mm以上，地下室防水规范当中已经做出了相关的规定如果其是车库顶板和地下水接触，其厚度的增加应为250mm，为了更好的确保地下室作为千骨断的功能，配筋率要求必须要达到0.25%，同时在这一过程中还要对其进行双向的布置，混凝土强度必须要在C30以上。
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3. 高层建筑地下室结构的抗震设计
3.1尽可能设置多道抗震防线
(1)一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接协同工作。例如框架―剪力墙结构由延性框架和剪力墙两个分体组成，或由双肢或多肢剪力墙体系组成。
(2)强烈地震之后往往伴随多次余震，如只有一道防线，则在第一次破坏后再遭余震，将会因损伤积累导致倒塌。抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部冗余度，有意识地建立一系列分布的屈服区，主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量，提高结构抗震性能，避免大震时倒塌。
(3)适当处理结构构件的强弱关系，同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后，其他抗侧力构件仍处于弹性阶段，使“有效屈服”保持较长阶段，保证结构的延性和抗倒塌能力。
3.2对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力
(1)构件在强烈地震下不存在强度安全储备，构件的实际承载能力分析是判断薄弱部位的基础。
(2)要使楼层(部位)的实际承载能力和设计计算的弹性受力的比值在总体上保持一个相对均匀的变化，一旦楼层(部位)的比值有突变时，会由于塑性内力重分布导致塑性变形的集中。
(3)要防止在局部上加强而忽视了整个结构各部位刚度、承载力的协调。
(4)在抗震设计中有意识、有目的地控制薄弱层(部位)，使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，这是提高结构总体抗震性能的有效手段。
3.3 提高短柱抗震性能的应对措施
3.31 提高短柱的受压承载力
提高短柱的受压承载力可减小柱截面、提高剪跨比，从而改善整个结构的抗震性能。减小柱截面和提高剪跨比，最直接的方法就是提高混凝土的强度等级，即采用高强混凝土来增加柱子的受压承载力，降低其轴压比；但由于高强混凝土材料本身的延性较差，采用时须慎重或与其他措施配合使用。此外，可以采用钢骨和钢管混凝土柱以提高短柱的受压承载力。
2.3.2 采用钢管混凝土柱
钢管混凝土是套箍混凝土的一种特殊形式，由混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料。由于钢管内的混凝土受到钢管的侧向约束，使得混凝土处于三向受压状态，从而使混凝土的抗压强度和极限压应得到很大的提高，混凝土特别是高强混凝土的延性得到显著改善。同时，钢管既是纵筋，又是横向箍筋， 其管径与管壁厚度的比值至少都在90以下，相当于配筋率至少都在4.6%。
当选用了高强混凝土和合适的套箍指标后，柱子的承载力可大幅度提高，通常柱截面可比普通钢筋混凝土柱减小一半以上，消除了短柱并具有良好的抗震性能。
2.3.3 采用分体柱
由于短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多，在地震作用下往往是因剪坏而失效，其抗弯强度不能完全发挥。因此，可人为地削弱短柱的抗弯强度，使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度，这样，在地震作用下，柱子将首先达到抗弯强度，从而呈现出延性的破坏状态。分体柱方法已在实际工程中得到应用。人为削弱抗弯强度的方法，可以在柱中沿竖向设缝将短柱分为2或4个柱肢组成的分体柱，分体柱的各柱肢分开配筋。在组成分体柱的柱肢之间可以设置一些连接键，以增强它的初期刚度和后期耗能能力。一般，连接键有通缝、预制分隔板、预应力摩擦阻尼器、素砼连接键等形式。
参考文献:
[1] 龚思礼.建筑抗震设计手册（第二板）[M].中国建筑工业出版社，2012.
[2]陈炯 浅析高层建筑地下室结构设计 [J] 《城市建设理论研究（电子版）》 -2013年9期-
论文作者:任翠翠
论文发表刊物:《防护工程》2019年第4期
论文发表时间:2019/6/3
标签：结构论文; 地下室论文; 混凝土论文; 延性论文; 承载力论文; 地基论文; 构件论文; 《防护工程》2019年第4期论文;