高层建筑地下结构设计的若干建议

根据笔者在高层建筑地下结构设计中的一些体会，阐述了高层建筑地下结构设计的一些特点，力图使结构设计尽可能经济合理。并着重介绍了地下室外墙的设计建议与出现收缩裂缝后的处理方法。1.概述随着社会的发展，高层建筑越来越多，由于建筑层数的增加，水平荷载(风荷载或地震作用)产生的内力和位移迅速增大。有一定的基础埋深，可以保证地基的稳定性，防止倾覆和滑移，而且也有利于减少建筑物的整体倾斜，因此，《高规》〔1〕规定了基础的最小埋置深度的要求。高层建筑结构由于其高度高，基础埋深较深，所以，一般都设置地下室。通常高层建筑结构在20层以内至少设1层地下室；21～30层设1～2层地下室；30层以上设2～3层地下室。高层建筑中的设备用房往往较多，而将这些设备用房、地下消防水池和汽车停车位等设在地下室，既能发挥地下室的作用，又能满足基础埋深的要求。同时，还可以利用地下停车场作人防地下室，以满足战时的需要。所以，地下室结构设计是高层建筑结构设计的一个重要组成部分。高层建筑地下室埋深越深，对基坑挡土支护、降低地下水的施工作业带来的难度越大，例如福州金源花园和福州中福广场由于是二层地下室，并且都是筏板厚承台，基坑深度较深，所以基坑支护都采用设置围护桩并加二道支撑的方法，基坑支护费用较高，工期相对较长；而福州特艺城由于只有一层地下室，而且是独立承台，基坑深度相对较浅，只需采用喷锚支护即可，工期短，费用也低。所以，高层建筑在设计时，在满足稳定、抗震等要求时，应尽量减少地下室层数和基础的埋深。高层建筑地下室与基础设计包括地下室墙设计、地下室顶板设计、地下室底板设计及基础设计、地下室出人口坡道、楼梯设计，以及人防口部设计(如果是人防地下室)等。下面将对地下结构设计中经常遇到的几个问题进行简要论述，与同行们共同探讨。与上部结构设计有所不同的是，由于南方地区地下水位一般比较高，地下室结构设计除了应满足受力要求外，抗渗是地下室结构设计的一个重点。众所周知，钢筋混凝土结构是带裂缝工作的，要想达到抗渗的目的，我们一般在地下室结构的混凝土中外加添加剂，以增加混凝土的密实性，减少混凝土自身的收缩。同时还要注意凝土的养护。除此之外，配筋率对裂缝的宽度也有影响。从已建的一些高层建筑地下室的情况来看，最经常出现裂缝的部位是地下室的外侧墙，这或许是因为墙体的养护难度较大。所以，下面重点讨论一下地下室外墙的一些设计建议与出现收缩裂缝后的处理措施。2.地下室外墙设计建议：高层建筑地下室外墙的厚度与配筋设计，根据文献〔2〕的调查，发现各项工程的设计很不一致，特别是地下室墙的配筋大小出入很大，从福州地区已建的高层建筑地下室的情况来看，本人认为地下室外墙厚采用30～50厘米，配筋Φ14@200～Φ18@200，一般可以满足要求。例如福州金源花园，二层地下室，地下室外墙厚450mm，配筋Φ16@200～Φ18@200。福州中福广场，也是二层地下室，地下室外墙厚450mm，配筋Φ14@200～Φ18@200。又如马尾经贸大厦，一层地下室，地下室外墙厚300mm，配筋Φ14@200～Φ16@200。对于地下水位较高，地下水压力较大的情况，地下室外墙厚度与配筋应适当增加。

如果地下室埋深教深,地下支采用围护桩加二道基坑支撑的方案，在拆除第二道支撑时，往往需要考虑第二道支撑以下分地下室外墙所起的作用，所以，浇捣地下室底板时，地下室外墙的施工缝一般设在第二支撑下方。待这部分外墙达到设计要求的强度后，将围护桩与地下室外墙间的空隙填实，样这部分外墙与地下室底板就可以共同组成新的第二道支撑，承受围护桩传来的主动土压力。此时，地下室楼板一般还未浇捣，这部分地下室外墙处于悬臂受力状态，因此，在设地下室外墙时，还应对该施工阶段地下室外墙受力的情况进行验算。为了满足受力要求，地下室外墙竖向钢筋一般配得较多，而水平钢筋往往只要满足最配筋率即可。正如文献〔2〕所述对于地下室墙的配筋率，规范中规定的最小配筋率不等于合理的配筋率，而是一个最小的下限值，设计时应根据具体情况适当向上调整。本人认为下室外墙水平钢筋尤其不要配得太小，在满足计算要求后配筋率最好不小于0.25%～0.3%，免在施工阶段出现收缩裂缝，影响地下室防水。例如福州特艺城，一层地下室，地下室外厚350mm，地下室北面临河，地下水压较大，经过计算，地下室外墙水平钢筋只需满足最小筋率，考虑到施工阶段如果养护不当，地下室外墙可能出现收缩裂缝(有一些工程就曾经出过这种情况)，这样就会影响地下室外墙的抗渗与防水要求。所以，在设计时我们把地下室墙水平钢筋适当加大，根据地下室层高4.15m和4.9m的不同，地下室外墙水平钢筋分别采用Φ16@200和Φ18@200。地下室外墙的厚度与配筋满足要求，同时混凝土中添加了适量添加剂后，由于施工阶养护不当，仍然有可能造成墙体出现收缩裂缝，从而影响地下室外墙的抗渗性。出现这种况看，该采取什么措施呢?下面就介绍一个在福州某工程中采用的方法，以供同行参考。在福州某工程中曾经出现过这样情况：地下室结构外墙拆模后，发现墙上有许多沿竖分布的微小裂缝，裂缝最大宽度1mm，间距2mm左右。经过计算复核，地下室外墙钢筋完全足受力要求。再经过进一步了解，地下室外墙浇捣的前后几天天气特别炎热，加上地下室墙外侧的土还未回填，施工阶段未采取任何特殊的养护措施。所以，我们断定这是由于施阶段养护不当造成的混凝土收缩裂缝。于是就采用了下面这个方法进行处理：首先，先将缝部位扩缝，凿成“V”型，再用水清洗干净，其次，在“V”型槽内预埋注浆管；然后，用专用注浆泵，将水溶性氨酯堵漏剂从注浆管中缓缓注入，待裂缝中浆液注满后，随即扎注浆管(一般压力控制在2～3kg/cm2左右)；第二天，将外露注浆管割除，将表面修平。最后，为达到长期防水目的，在堵漏部位涂刷优质防水材料，并加帖玻璃纤维布。经过这样理后，至今未发现过有开裂或渗漏现象。3.主楼与裙房地下设缝问题：高层建筑基础设计时，由于上部荷载大，要求因素(沉陷、稳定、造价、工期等)比较多，因此，高层主楼与裙房的地下结构是整体相连，还是各自独立必须认真、慎重地全面虑。例如福州中福广场，主楼地上二十八层，地下二层，体型为方形，框架-剪力墙结构。楼地上七层，地下一层，条形框架结构，位于主楼西侧，见图1。该工程建于七度地震区三地上，基础采用钻孔灌注桩，桩基承台采用筏板厚承台兼作地下室底板，与桩组成桩筏基础。从建筑体型考虑，若将主楼与裙楼联成整体，因主楼平面较小，裙房纵向又较长，必引起较大的扭转，因此，主楼与裙楼间设置了抗震缝，地下室与基础间设置了沉降缝，使楼与裙房彻底脱开，各自独立。为确保主楼的抗侧稳定性，我们采取在沉降缝间填粗砂的施，以满足埋深要求。又如福州金源花园，主楼是两座方形塔楼，地上三十二层，裙楼地上六层，地下均为层，采用框架-筒体结构。该工程建于七度地震区三类场地上，基础采用钻孔灌注桩，地下室底板为整片筏板厚承台，整体刚度大，该工程建好至今已三年多，沉降量很小几乎没有什么不均匀沉降。此外，考虑到掩埋于土体内的地下混凝土结构受大气温度影响对于地面以上较小，从大量的地震破坏资料来看，地下结构所受的地震破坏很小，因此，了更好地满足防水等要求，我们将主、裙楼地下结构连成整体。总之，主楼与裙房的地下结构是整体相连还是各自独立，应根据具体工程的实际情况合考虑，同时还应采取相应的构造措施。当主、裙楼间设基础沉降缝时，应确保主楼的抗稳定性。当考虑到基础整体性和建筑功能上的要求，主、裙楼地下结构连成一体，以便满防水等要求时，应考虑到主、裙楼间的不均匀沉降会引起上部结构的附加内力，为此，可主、裙楼间设施工后浇带，待主楼沉降基本稳定后连成整体。并且要加强地下室结构的整刚度，防止刚度突变，特别在主、裙楼交接部位不宜有突变。4.地下室顶板、底板与桩基：地下室顶板是高层建筑上部结构的一个水平约束支座，地下室顶板刚度越大，对上部构的约束作用越好。所以，地下室顶板厚度不要太薄，一般取≥160mm，对于人防地下室，下室顶板厚度还要满足人防的要求。

地下室底板同地下室外墙一样，除了满足受力要求外，还要满足地下室抗渗、防水的要求，所以，地下室底板厚度、配筋也不可太小，底板厚度一般取40～60cm，配筋率一般可0.25%。对于桩箱、桩筏基础，地下室底板也是桩承台，还要满足冲切、剪切、抗弯、局部压等要求。软土地区高层建筑结构基础一般采用桩基础，有时与地下室及其底板共同组成桩箱、筏基础。福州中福广场、福州金源花园采用的都是桩筏基础。高层建筑基础采用冲(钻)孔灌注桩时，对于桩端持力层是碎卵石层。强风化岩的情况采用压力注浆的方法，即先在桩中预埋小直径钢管至桩端，待桩身砼达到一定强度后，在端持力层处压力注浆的方法，可以大大提高单桩承载力，从而减少桩数，节省造价。对于端持力层是粘性土的情况，这种方法提高的承载力很少。例如，福州特艺城中采用了直径1m，桩长40m左右的钻孔灌注桩，桩端持力层为砂卵石层，采用了这种压力注浆的方法后，提高承载力30%，而这样一根桩的注浆费用仅两千多元。此外，采用在桩边钻孔埋管后压力注浆的方法还可以用于桩基补强，例如福州特艺城基坑开挖后，复核桩位时，发现有几个三桩、四桩承台内的个别桩偏离原设计桩位值超出范限值，这样就使得在设计荷载作用下，相临的桩受力超出其承载力设计值，不补强就会成