带地下室的高层建筑结构设计

【摘 要】地下室是高层建筑的重要组成部分,是地上结构稳定和安全的保证.地下室的埋深可以增加地上结构的刚度,减少结构自震周期和位移,对抗震有利.

【关 键 词】实埋深；虚埋深；地下室；稳定；约束

1高层建筑的地下室

高层建筑地下室是高层建筑的重要组成部分.可以认为是高层建筑与底盘连接的嵌入式的锚固体,为高层建筑提供结构稳定和安全保证.四周回填土的侧向约束限制了地下室的变位,进而增加了塔楼结构的刚度,减少了塔楼的自震周期和位移.高层建筑地下室应该有一定的埋深,对抗震有利.日本的研究结果表明,有地下室的建筑上部结构地震反应比无地下室的低20％-30％.随着地下室层数和埋深的增加,建筑物的整体刚度增大,自震周期明显减小,位移减小.地下室的埋深需根据建筑物的高度、体型、地下室功能、地基土的特点、抗震设防烈度和抗震等级及满足建筑物稳定的侧限要求等条件.所以地下室的埋深一般可取H/15-H/18,且宜大于3.0m.

2地下室的埋深不一致

2.1单塔楼地下室埋深不一致

图1单塔楼的地下室埋深不一致

图1所示是单塔式高层建筑,由于自然地貌造成了多层地下室的埋深不一致,但其较小埋深d1已满足了建筑物地上结构稳定和安全性的要求.地下室的外侧墙与塔楼的边、角柱整浇一体,由于地下室周围填土埋深不一致,对地上塔楼结构的影响有差异.埋深较大的部位,由于填土的作用,使地下室的外墙及其相连的边、角柱增大了刚度,且在地震过程中容易较多的集聚水平力；埋深较小的部位,由于填土作用较小,地下室的外墙及其相连的边、角的刚度增加较小.由于埋深不同使结构形成刚度的差异,在水平力的作用下,可能引起附加扭转,而且由于埋深不一致,地下室的各部位的刚度也不均匀,刚度大的部位其上塔楼的边、角柱约束大,刚度小的部位对其上塔楼的边、角柱约束小,相当于同层柱的计算长度不一致,造成柱的受力不均匀.若地下室顶面是塔楼竖向构件的设计检测设计算固定端,埋深较小的部位可能约束不足,使边、角柱的预期塑性铰向下转移.鉴于上述特点,根据工程的具体情况采用两种不同的补救方案：第一方案谓解除不平等约束.地下室周围填土大部高于或与地下室顶面平,而只有一端(或一个面)低于地下室顶面一层左右,距地下室外墙1-1.5M处作一挡土墙,将填土与地下室外墙彻底脱开,使回填土顶面基本与最低填士平,使刚度不均和边、角柱受力不一致的情况消除.设计检测设计算固定端下移一层.地下室外墙与外侧挡土墙的沟槽最好作采光井使用.若将沟槽顶放上盖板且做了防水处理,往往使彻底脱开变成藕断丝连,不利于抗震.第二方案谓之抑强扶弱.埋深高低相差不足一层,最低埋深距地下室顶板下接近一层.对埋深较大部分的边柱截面稍作减少(边长减少50mm左右),增加配筋(利用芯柱,纵筋增加,箍筋加强)形成强剪、强弯,对埋深较小部分的边柱在地下室以内部分截面增大(边长增大100-150mm左右),地下室顶板上与这些边、角柱相连的框架梁截面加大.增加对这些柱的下部约束,也即增加了这部分柱的刚度,结果使埋深不一致造成的塔楼边、角柱刚度不均匀问题得到了调整.

2.2塔楼偏置的地下室埋深不一致

图2塔楼偏置的地下室

图2所示,由自然地形造成的地下室埋深不一致.相差一层的塔楼的部分边、角柱与地下室的外墙整浇成一体,其他大部分柱与地下室外墙有一段距离.对塔楼而言,出现了两种不同埋深,一种直接与地下室外墙相连的部分,其墙外由回填土形成的埋深叫实埋深,提高了外墙的刚度,增加了对柱的约束,同时增强了柱的刚度；另一种是离外墙有一段距离的塔楼部分的埋深是由竖向压重折算成的埋深叫虚埋深,对塔楼的边、角柱的刚度几乎没有增强作用.由于不同种类的埋深,使塔楼的边、角柱的刚度和受力产生了差别,刚度大的吸收的水平力较多,而且可能引起附加变形.

图3地下室埋深一致,塔楼实虚埋深不一致

图3所示,地下室的埋深是一致的.由于塔楼偏置,形成了实埋深和虚埋深的差别,并不影响塔楼的稳定和安全,因为大部分地下室外墙距塔楼边缘有一段距离,相互影响逐渐减弱.据分析证明,距塔楼l-2跨柱距以外的结构就对塔楼影响很小,可以忽略不计,所以塔楼以外的地下室外墙的埋深是否一致己无意义.只需考查实埋深和虚埋深对塔楼的影响.前面已阐明与地下室外墙整浇成一体的柱,因有实埋深比虚埋深的柱刚度大,吸收的水平力大,形成同层柱的受力不均匀,还可能引起塔楼结构附加变形.

解决的方法,就是减少或控制刚度较大的柱截面,但又不能降低其承载能力造成安全隐患.采取的措施是适当的提高其轴压比,增加芯柱配筋,同时增强柱的纵筋和箍筋,以达到强剪强弯.

2.3塔楼置中的地下室埋深不一致

图4塔楼置中的地下室埋深不一致

图4所示,塔楼位于地下室之内,且距地下室外墙不小于1-2个柱距,可以是单塔楼也可以是多塔楼,地上可以有裙房也可以没有裙房.地下室由于自然地形而形成的埋深不一致,只影响地下室结构本身,对塔楼已没有影响.塔楼的埋深均由竖向压重折算的虚埋深来提供,保证塔楼的稳定.

3结束语

地下室对其上塔楼的贡献主要体现在保证塔楼的稳定性和增加塔楼的刚度两方面.地下室周围的回填土为地下室提供了埋深,其镶嵌作用和摩阻力为地下室提供了约束并且增加了地下室外墙的刚度,对塔楼的贡献取决于塔楼在地下室的相对位置.塔楼的边、角柱均与地下室外墙整浇在一体者,地下室对塔楼的贡献最大.地下室的埋深不一致,对塔楼刚度增加不均匀,使得边、角柱受力有差异,可能引起塔楼的附加变形.塔楼部分边、角柱与地下室整浇在一体,使塔楼形成实埋深和虚埋深的差别,对塔楼的刚度已影响很少,只注意避免引起塔楼的附加变形和应力集中.塔楼的所有竖向构件均在地下室的外墙之内,塔楼的埋深都是虚埋深,地下室的埋深是否一致对塔楼已没有影响.