大底盘多塔楼高层建筑地下室结构设计中的若干问题.pdf

广西水利水电GX WA T E R R E S O U RC E SHY D R OP OWE R E NGI N E E RI N G 2 0 1 0 4 规划设计 大底盘多塔楼高层建筑地下室 结构设计中的若干问题 陈冬 萍 广西电力工业勘察设计研究院， 广西南宁5 3 0 0 2 3 [ 摘要】 介绍了超长地下室结构设计中遇到的基础沉降不均、 变形缝的设置、 非主楼范围的抗浮稳定、 超长结构的 抗裂等问题。并以实际工程为例， 对这些问题进行分析 ， 提出了解决方法。 [ 关键词】 地下室 ； 变形缝； 超长结构 ； 沉降差异； 抗浮稳定 [ 中图分类号] T U 9 7 3 [ 文献标识码] B [ 文章编号] 1 0 0 3 1 5 1 0 2 0 1 0 0 4 0 0 5 9 0 3 当前 ， 随着经济和技术的飞速发展 ， 高层建筑的应 用越来越多， 由于场地少、 用户多， 城市规划对绿地和 停车都有较为严格的要求， 所以在多栋高层建筑下设 置大底盘地下室的工程越来越多。这些地下室多为 1 ． 3 层， 约占总面积的 1 1 ％一 2 0 ％， 主要用于车库、 人防、 设 备用房等， 地下室超大超长的不在少数 ， 此类地下室的 结构设计需要解决的问题主要是 基础沉降不均、 变形 缝的设置、 非主楼范 围的抗浮稳定 、 超长结构的抗裂 等。下面以实际工程为例进行分析。 1 工程 概 况 位于南宁市区的某高校实训综合楼 ， 是集公寓 、 宿舍 、 办公 、 教学 、 医疗 、 停 车为一体 的多功 能综合 楼 ， 共 由 3 栋宿舍 公寓 和 1栋综合教学楼共 4栋 塔楼组成 ， 各塔楼之间通过二层裙房和一层地下 室 相连 ， 二层裙房为办公 、 会议 、 医务室 ， 地下室为平战 结合 的六级人防兼停车库。总建筑面积约为 3 4 0 0 0 m2 ， 裙房和地下室 的总长均为 1 6 3 m。4栋塔楼 分 别为教师公寓 1 2层 、 学生宿舍 1 5层 、 学生宿舍 1 8 层 、 综合教学楼 1 5层 ， 建筑物高度依次为 4 4 ． 8 m、 4 5 ． 6 m、 6 5 ． 8 m、 5 8 ． 6 m。其 中教 师公 寓 称为A塔 与学生公寓 称为 B塔 、 学生公寓 称 为 c塔 之 间都有空 中连廊 相接。各 塔楼 高度 不 同， 体型不一， 其中 A塔为现浇框架结构， B 、 C 、 D塔 均为现浇框架 一剪力墙结构 见图 1 。 四露 厦 5 图 1 结构示意 图 2 地质条件 根据地质资料显示 ， 各岩土层特性见表 1 。 表 1 各岩土层特性表 [ 收稿日 期】 2 0 1 0 - 0 6 0 8 [ 作者简介】 陈冬萍 1 9 7 0 ～ ， 女， 广西梧州人， 广西电力工业勘察设计研究院工程师， 学士， 主要从事工业与民用建筑的结构设计。 5 9 陈冬萍 大底盘多塔楼高层建筑地下室结构设计中的若干问题 3 需要解决的主要 问题 1 由于建筑物很长 ， 各栋塔楼通过两层群房 和地下室相连， 如何合理地设置变形缝。 2 如何控制各部分基础的沉降差异。 3 局部地下室范围内无上部建筑， 如何解决 抗浮。 4 解决超长地下室的防水和构件 如外墙、 顶板 、 底板 的抗裂。 4变形 缝 的设 置 本例综合楼的各塔楼高度不同， 体型相差较大， 塔楼间还设空 中连廊 ， 又有两层裙房相连， 同时具备 了多塔楼 、 连体结构的性质 ， 属超限的多重复杂高层 建筑 ， 有多处薄弱部位 ，对抗震极为不利。根据抗 震设计的要求 ， 可以在适 当位置设置防震缝 ， 形成较 规则的结构单元。 当各塔楼的体型、 刚度差异较大时， 在地震作用 下 ， 连体结构 、 多塔结构会产生复杂的相互耦联 的振 动， 扭转影响严重 ， 对抗震非常不利， 连接处更是抗 震的薄弱部位。考虑到有连接的塔楼之间距离不大 为 8 ． 5 m ， 采用悬挑的连廊形式也可以， 故在连廊 的中间设置防震缝 ， 把连体结构分解为各 自独立的 塔楼 ， 使之成为扭转效应较小的规则、 对称结构。同 样地 ， 在各塔楼之间的裙房设置多道防震缝 ， 多塔楼 分成了各个规则 的单塔， 有利于减轻薄弱部位 的震 害， 使上部结构抗震 能力更强。具体分缝立 面图见 图 2 。 图 2 分缝立 面图 理顺了上部结构的分缝关系， 接下来再考虑地 下室的分缝问题 。根据实际工程实例， 地下室有分 缝也有不分缝 的。地下室分缝 的好处 在于 ①作为 温度缝设置， 可以减少超长地下室构件在施工和使 用阶段 由温度因素产生的裂缝 ； ②作为沉降缝设置 ， 可以避免各塔楼因沉降差异引起的次应力对结构 的 不利影响。 6 0 而顶板以下的地下室不设变形缝的方案， 其优 点主要是 ①地下室顶板的高差不大， 整体性好， 如 果不设缝， 则可以作为上部结构的嵌固部位， 有利于 向周边土体传递水平地震作用， 而且能减少基础埋 深， 降低基础工程费用； ②因工程场地地下水位较 高， 稳定水位常在地面以下 1 ． 2 m处， 属承压水， 如 果不设变形缝 ， 可以省去变形缝处复杂且维护不菲 的构造措施 ， 有利于地下室的防水。 最终确定了地下室不设缝的方案。但在地下室 不分缝的条件下 ， 如何解决沉降差异大、 容易产生裂 缝等， 也是后续的施工图的设计中应该重点解决的 问题 。 因此， 通过对整体结构的综合考虑， 在合理设置 上部变形缝 、 优化上部结构方案的同时， 也可以让地 下室的设计更为明确、 合理。 5 控制 沉降差异 作为大底盘多塔楼 的建筑 ， 由于各塔楼总高不 同， 基础的不均匀沉降是一个必须面对的重要问题。 因为决定了地下室不设缝， 根据变刚度调平设计 的 概念 考虑上部结构形式 、 荷载和地层分布以及相互 作用效应 ， 通过调整桩径、 桩长、 桩距等改变基桩支 承刚度分布， 使建筑物沉降趋于均匀、 降低基础内 力。所以采用以下几条措施进行基础设计 1 对主楼和裙房采用不同的基础形式和持 力层 ， 减少各部分的沉降差异 ， 其 中主体基础采用静 压预制桩 ， 持力层为圆砾层⑥， 桩长约为 6 1 0 m， 而 裙房及地下室基础采用柱下扩展基础 ， 持力层为粉 质粘土③。 2 通过 调整桩距 、 桩数、 考虑基础一地基 的 共同作用来进一步改善沉降差异。 3 在各塔楼之间、 塔楼与裙房的基础间设沉 降后浇带， 允许各主体和非主体在施工期间各自自 由沉降。 在设计过程中， 经初步布桩和计算 ， 各主楼的部 分基础沉降值见表 2 。 表2 主楼基础沉降值表 广西水利水电GX WAT E RURC E SHY D R OP O WE R E NGI NE E RI N G 2 0 1 0 4 根据试算的初步结果可知， 主楼范围内的桩基沉降 图基本呈蝶形， 中间内筒的沉降大， 周边桩基沉降 少 ， 局部边柱与 中间剪力墙 的基础沉 降差不满足规 范的要求。其原因是由于中间核心筒的刚度、 荷载 大 ， 周边柱墙刚度、 荷载小 ， 在不考 虑上部结构 刚度 的情况下 ， 用相 同桩径 、 桩长 、 桩距来均匀布置桩 ， 各 部分桩竖向支承刚度的分布发生外大内小的变化， 致使沉降差异过大。 为了改善主体的沉降差异 ， 可以采用 的措施是 调整桩长、 桩径 、 桩距 、 桩数 等。由于桩端持力层为 中密的圆砾层 ， 如果增加 桩长较 多 ， 施工 困难较大 ， 施工质量也难以保证。而调整桩径、 桩长致使型号 规格变化过多 ， 也会给采购和施工过程带来不便 ， 进 而影响工期 。最终 ， 采取 ①增加 中部剪力墙筒体下 的桩数， 并参考地区施工经验 ， 在保证施工质量的前 提下 ， 适当减少桩距 ； ②对外 围的墙柱下群桩 ， 则考 虑桩土共同作用和承台作用 ， 在满足承载力要求 的 同时， 适当减少桩数或加大桩间距； ③沉降计算时考 虑上部结构 的刚度影响。 经过调整和计算 ， 各主楼部分的沉降值见表 3 。 表 3 各主楼部分沉 降值表 数据表明， 各部分的沉降差异 已得到控制 ， 能满 足规范的要求 ， 同时承台、 筏板的内力和配筋也有所 减少。 另外， 裙房部分的基础按柱下独基计算时， 沉降 值过大， 相邻柱基的沉降差也超过了规范的规定值。 按照以往 的做法 ， 一般是增大部分沉降过大的柱下 基础面积， 这样 ， 裙 房与主楼 的沉降差 异会更加 悬 殊 。分析后发现， 本工程地下 室底 板厚度达 到 2 5 0 IT l m， 按抗浮设计后配筋较 多 ， 且底板和柱下基础一 样是落在相同的持力层 ， 软件计算时没能考虑底板 对柱基础的沉降影 响， 所 以差异值会偏大 。因此改 用按筏板加柱墩的计算模 型进行底 板的验算 ， 结果 明显有所改善 ， 不仅沉降可以满足规范的要求 ， 配筋 也可以满足内力的需要。因此 ， 通过考虑基础和土 的共同作用因素， 裙房 的不均匀沉降也解决了。 此外， 根据相关资料， 以本例工程这样的地质条 件 ， 建筑物在施工期 间可 以完成 总沉降量 的 5 0 ％． 8 0 ％， 施工完成后再封闭后浇带 ， 可以大大减少不均 匀沉降引起的次应力对结构 的不利影响。因此 ， 通 过设置沉降后浇带， 又可以进一步降低沉降差异。 所以， 将变刚度调平概念应用于基础设计 ， 采取 措施减少基础的差异变形 ， 可 以降低基础 内力和上 部结构的次应力 ， 从而达到节约资源、 提高建筑使用 寿命的 目的。 6 地下 室的抗 浮稳定 根据地质资料， 设计抗浮水位高程为 7 5 ． 0 3 IT I ， 约相当于室外地面 以下 一1 1 1 1 处 ， 水位 较高。主要 对非主体范围的地下室进行抗浮稳定验算， 结果是 局部无上部结构 的地下室抗浮作用小于浮力 ， 稳定 不满足。可选的解决方案有 3种 ①增加顶板的压 重， 包括增加顶板覆土、 顶板厚度 ； ②加抗浮锚杆或 抗浮桩 ； ③增加底板配重， 如增加底板填料、 加厚底 板等。 由于该处为车库且为人防区， 柱距近 8 m， 如采 用第①种方案 ， 增加顶板 的覆土和 自身厚度 ， 会使框 架梁的荷载加大 ， 需增加梁板截面和配筋， 也势必要 增加地下室的层 高， 由此一来 ， 底板埋深更深， 水浮 力也更大， 因此代价不菲。如采用第②种即设抗浮 锚杆， 由于水位较高， 要在粉土、 粉细砂、 圆砾层中成 孔和压浆成型 ， 施工较困难 ， 而且 费用高 昂； 如果设 置静压预制桩作为抗浮桩 ， 经试算 ， 土层 的桩侧摩阻 力有限 ， 桩长很长仍不能抵抗浮力 ； 且在轴向荷载作 用下 ， 桩会对基础的下沉产生阻碍作用 ， 对减少主体 和裙房间的沉降差异不利。 最后考虑采用 自重大 的毛石砼作为填料 ， 在抗 浮不足的柱基附近增加底板配重 ， 这种方法 的优点 是 造价低廉 ； 施工方便 ； 不会增加底板构件的受力 ， 相反 ， 由于与水浮力作用相反 ， 还可以减少部分梁板 的尺寸和配筋。经计算， 毛石砼填料厚度仅为 1 ． 2 1T I ， 填料面积不到 1 0 0 m 2 。最终， 选用了这一经济、 可靠的方案来解决抗浮稳定问题。 7 超长地下室的抗裂 本例工程地下室长达 1 6 3 1 T I ， 由于前面分析 的 原因在地下室部分不设变形缝 ， 也仅在各主楼与裙 房间设置沉降后浇带。虽然地下室受温度变化影响 较上部结构较小 ， 但是超长结构构件 下转第 7 1页 6 1 广西水利水电G X WAT E RUR C E S HY D R O P O WE R E NGI NE E RI N G 2 0 1 0 4 4结 语 通过此次使用天宝手持 GP S GE O XT发现 随 着 G P S技术的发展成熟， 手持机定位精度越来越 高、 其又有着便捷、 简单、 快速等特点， 一直以来都受 到行业人士 的青睐 ， 被广泛应用 到林业、 遥感 、 地 质 测量、 石油、 海洋、 电力、 旅游、 铁路公路、 大地测量、 水利 、 国防、 气象 、 农 业、 科研考察、 环保 、 探 险等行 业上。但其也应该看 到 自身的弱点 ， 虽然亚米级 的 精度是一个很大的进步， 但还不能广泛应用到更高 测量精度要求 的行业上 。随着网络 R TK的逐渐推 广建成， 一个接收机外加一个手簿， 平面精度就能达 到 5 c n l 1 p p m， 对手持机市场来说 ， 确实是一个大 威胁。期待着手持机在精度上能再度提高， 以满足 更多行业的要求。 参考文献 [ 1 ] 王攀 ． 移动 GI S 及其新应用[ J] ． 测绘与空间地理 信息， 2 0 0 6 ， 2 9 5 1 2 9 1 3 1 ． [ 2 ] 汤国安， 赵牡丹 ． 地理信息系统[ M]． 北京 科学出版 社 ， 2 0 0 0 ． 责任编辑 周群 Ap pl i c a t i o n e x a m p l e s o f Tr i mb l e mo b i l e GPS ANG Li u b o G u a n g x i Wa t e r a n d P o we r D e s i g n I n s t i t u t e ， Na n n i n g 5 3 0 0 2 3 ， C h i n a Ab s t r a c t GE0XT o f Tr i mb l e mo b i l e GP S i s d e s i g n e d wi t h t h r e e d a t a a c q u i s i t i o n mo d e s i n c l u d i n g s i n g l e c o d e p h a s e d i s t a n c e s u r v e y ，p o s t d i f f e r e n t i a l c o r r e c t i o n a n d r e a 1 ． t i me d i f f e r e n t i al corre c t i o n ．A b r i e f i n t r o d u c t i o n wa s ma d e o n t h e t ech n i c a l p r o g r a m ，p o s i t i o n i n g a c c u r a c y，c h a r a c t e r i s t i c s a n d a p p l i c a t i o n s c o p e o f d a t a a c q u i s i t i o n． C o mb i n e d wi t h p r a c t i c e o f r e a l p r o j e c t ． t h e a u t h o r d i s c u s s e d h i s e x p e r i e n c e i n a p p l y i n g G E O XT f o r h y d r o p r o j e c t ． Ke y wo r d s Tr i mb l e mo b i l e ；d a t a a cqu i s i t i o n mod e ；r e a l t i me d i f f e r e n c e 上接第 6 1页 的抗裂依然是个重要的问题 。裂缝产生的主要原 因 是混凝土的干燥收缩和热胀冷缩 ， 在使用阶段 ， 环境 的温度变化是影响混凝土构件开裂的主要原因， 而在 施工阶段 ， 混凝土的干缩和水泥水化热影响是主要因 素。为了减少这些因素的不利影 响， 主要采取了以下 加强措施 ①地下室砼 中添加微膨胀剂 ， 使用补偿收 缩砼 ； ②超长但未设后浇带的部分增设膨胀加强带 ； ③地下室砼外墙按规范单独设置后浇带； ④加强梁板 的纵向钢筋， 加大分布筋的配筋量， 抵抗温度应力。 8 结语 总之 ， 地下室结构设计是一项综合性很强的工 作 ， 涉及 的内容繁多复杂 ， 而且建设投资庞大 ， 必须 统筹帷幄， 审慎、 周到地考虑各种因素， 深入分析， 选 择可靠、 经济 、 合理 的结构方案 ， 才能保证工程安全 、 顺利地实施 。 参考文献 [ 1 ] GB 5 0 0 1 1 2 0 o 1 ， 建筑抗震设计规范I s ] ． [ 2 ] J G J 3 2 0 0 2 ， 高层建筑混凝土结构技术规程[ S ] ． [ 3 ] J G J 9 4 2 0 0 8 ， 建筑桩基技术规范[ S ] ． [ 4 ] GB 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范I s ] ． [ 5 ] GB 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ， 建筑地基基础设计规范[ S ] ． 责任编辑 刘征湛 S o me p r o b l e ms o f b a s e me n t s t r u c t u r a l d e s i g n f o r hi g h- r i s e wi t h hu g e b a s e a nd mu l t i p l e t o we r s C HEN Do n g p i n g Gu a n g x i E l e c t r i c P o we r I n d u s t r y I n v e s t i g a t i o n D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Na n n i n g 5 3 0 0 2 3 ， C h i n a Ab s t r a c t An i n t r od u c t i o n Was ma d e o n s o me p r o b l e ms e n c o u n t e r e d d u ri ng s t r u c t u r al d e s i g n o f e x t r a -- l o n g b a s e - me n t s u c h as n o n - u n i f o r m f o u n d a t i o n s e t t l e me n t ， p o s i t i o n i n g o f d e f o r ma t i o n j o i n t ， a n t i fl o a t a t i o n s t a b i l i t y o f t h e r a n g e o u t o f c e n t r a l b u i l d i n g ， c r a c k r esi s t a n c e o f e x t r a l o n g s t r u c t u r e e t c ．T a k i ng a r e a l p r o j e c t a s e x a mp l e ， t h e a u t h o r a n a l y z e d t h e s e p r o b l e ms an d p u t for wa r d s o l u t i o n s ． Ke y wo r d s Ba s e me n t ；d e f o r ma t i o n j o i n t ；e x t r a - l o n g s t ruc t u r e ；s e t t l e me n t d i f f e r e n c e ；ant i fl o a t a t i o n s t a b i l i t y 71