坡地建筑地下室整体计算的机理分析课件

坡地建筑地下室整体计算的机理分析1云南怡成建筑设计有限公司潘凯云 商黔建 罗强军 和辛二0一二年十一月九日

一、前言。2

省政府提出了城镇上山的总体城镇建设方针，使山（坡）地建筑大量出

现。我省又是地震高发区，因此山（坡）地建筑的抗震设计和如何理解执行规范

出现了一些需要讨论的问题。

二、问题的提出。3

新版《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（以下简称《抗规》）在6.1.14条的条文说明中，作了如下说明：

“为了能使地下室顶板作为上部结构的

嵌固部位，本条规定了地下室顶板和地

下一层的设计要求：

4地下室顶板必须具有足够的平面内刚度，以有效传递地震基底剪力。地下室顶板的厚度不宜小于180mm，若柱网内设置多个次梁时，板厚可适当减小。这里所指的地下室应为完整的地下室，

在山（坡）地建筑中出现地下室各边填

埋深度差异较大时，宜单独设置支挡结

构。”

由于新版《抗规》上述条文说明中的最后一句话，不同的理解产生了不同的处理方法，以三边覆土一边临空的地下室为例：

如图：某项目在地下室顶板上布置有6栋100m高的高层建筑，地下室为三层，长200m，宽120m，有三边地下室三层全部覆土，有一边地下室覆土两层，一层地下室临空。5678

9其中一种观点的处理方法要求这类项目应按下述方式处理才能满足上述《抗规》条文说明的要求：

1.三边全覆土的部分应设计一层地下室高度的挡土墙，使地下一层完全与埋覆土脱开，项目变成四边全埋覆的两层地下室；

2.按下述两种方式处理其上塔楼的设计计算：

1）按有200×120m的一层裙楼，其上有6个塔楼和多个裙楼进行大底盘多塔楼设 计计算分析；

2）如果考虑大底盘多塔楼属严重超限或因软件功能难于计算分析则另一种方法为：用抗震缝将6个塔楼和多个裙楼与一层地下室脱开，分别计算6个塔楼多个裙楼和一层“裙楼”。10

按上述要求实施存在如下问题：

1.在临时支护结构和支护结构与地下室之间的回填土上设永久性的挡土墙有较大的难度；

2.使200m×120m面积上的雨水排放产生困难；11

3.给供配电、市政电话、电视、网络、给水、排水管线的进出产生困难，必须全部用柔性接口；

4.结构的适用高度按《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010（以下简称《高规》）很可能应减少一个地下室的高度；12

5.由于上述原因，建设单位很难接受，特别是要多做500多米的挡土墙，甚至

减少楼层，经济损失太大。

6.《抗规》和《高规》在概念设计上的一个原则是抗震设计能整体尽可能整体，不主张多设抗震缝。按上述方法，在地下室与周边挡土墙之间和6栋塔楼和多栋裙楼建筑周边的抗震缝给施工、今后的使用、维护，特别是防水构造带来困难。13

三、由于存在上述困难和问题，我们提出如下指导思想和另外的解决方案。

1.指导思想：

1）文献④在表述地震作用理论时有如下论述：14

“地震力理论可划分为两大类，一是静力法，二是动力法。动力理论方法包括：①基于地震反应谱的底部剪力法；②以地震反应谱为基础的振型分解法；③时程分析法；④随机振动分析法。15

16通常将在抗震规范中采用的确定地震力的方法称为规范估计法，它是

一种简化、粗略，但又行之有效的方法。”

即它不像古典力学那么精准，但对抗震起到了控制性作用。

2）关于“嵌固”的概念：

a.《抗规》和《高规》都明确地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，应符合：

①

地下室顶板的刚度强度和配筋以及不宜开大洞，保证上部结构基底水平力的传递；17

②

地下一层侧向刚度大于地上结构首层的两倍，地下室计算侧向刚度的外扩范围，《抗规》为不超过20m，《高规》为不超过三跨；

③

框架、剪力墙的抗弯承载力和纵向

钢筋地下应大于地上，防止塑性角同时

或先于地上构件发生，失去嵌固的作用。

④《抗规》还在条文说明中提出周边覆土的要求。18

b.

《建筑地基基础设计规范》

GB50007-2011（以下简称《地基基础规范》）有如下详细规定：

“8.4.25采用筏形基础带地下室的高层和底层建筑、地下室四周外墙与土层紧密接触且土层为非松散填土、松散粉细砂土、软塑流塑黏性土，上部结构为框架、框剪或框架—核心筒结构，当地下一层结构顶板作为上部结构嵌固部位时，应符合下列规定：19

①

地下一层的结构侧向刚度大于或等于与其相连的上部结构底层楼层侧向刚度的1.5倍。

②

地下一层结构顶板应采用梁板式楼盖，板厚不应小于180mm，其混凝土强度等级不宜小于C30；楼面应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。

③

地下室外墙和内墙边缘的板面不应

有大洞口，以保证将上部结构的地震作

用或水平力传递到地下室抗侧力构件中。20

④

当地下室内、外墙与主体结构墙体之间的距离符合表8.4.25的要求时，该范围内的地下室内、外墙可计入地下一层的结构侧向刚度，但此范围内侧向刚度不能重叠使用于相邻建筑。当不符合上述要求时，建筑物的嵌固部位可设在筏形基础的顶面，此时宜考虑基侧土和基底土对地下室的抗力。”21

表

8.4.25地下室墙与主体结构之间的最大间距在该条的条文说明中有如下论述：22

“通常在设计中都假定上部结构嵌固

在基础结构上，实际上这一假定只有在

刚性地基的条件下才能实现。对绝大多

数都属柔性地基的地基土而言，在水平

力作用下结构底部以地基都会出现转动，因此所谓嵌固实质上是指接近于固定的

计算基面。本条中的嵌固即属此意。”23

“对有抗震设防要求的高层建筑基础和地下结构设计中的一个重要原则是，要求基础和地下室结构应具有足够的刚度和承载力，保证上部结构进入非弹性阶段时，基础和地下室结构始终能承受上部结构传来的荷载，并将荷载安全传递到地基上。”24

c.

由上面三部规范、规程的表述和住建部中国标准院编著的设计技术措施（不再重复引述）中的表述都表明上部结构嵌固在地下室顶板的概念包含下述要点。

①

地下室顶板和地下室结构应有足够的刚度和强度，当上部结构进入非线性时自身还能正常工作，并将作用力传到基础和地基；25

②

地下室四周有覆土是条件之一，但不是唯一的条件；《地基基础规范》表述四周覆土可以是软塑或流塑的黏性土说明地下室四周覆土并不能防止地下室产生水平位移。地下室在强震下有无水平位移并不是嵌固作用的必要条件；

③

所谓嵌固实质上是指接近于固定的计算基面。26

d.《地基基础规范》8.4.25条条文说明中例举旧金山一栋257m高的建筑1989年强震作用下地下室整体水平位移52.4mm，还产生了万分之三的整体转角。

这一实例除了说明地下室近似的有限刚性外，还说明强震作用下地下室的水平位移远小于被动土压力的变形假定，因此文献⑩中，地下室外墙挡土计算采用静止土压力是合理的。27

3）前述的第一种处理方法：设挡墙不使地下一层外墙挡土，用抗震缝把地下室上的塔楼和裙楼均脱开，完全符合了《抗规》6.1.14条的条文说明的规定，使地下一层、塔楼、裙楼均为嵌固在地下二层顶板的独立建筑，看似准确执行了规范，但最大的问题是由于地下一层有一边临空，把一个完整的建筑搞的支离破碎并带来了上述6个方面的问题，28

我们执行规范、解决问题的方法是要为工程服务的，应对工程的实施和多专业的配合效果有所考虑，对业主的需求29和资源的节约有所考虑。因此值得商榷。

4）我们理解《抗规》6.1.14条条文说明最后一句话是针对汶川地震震害调查中单栋5层左右的建筑，由于结构体系有缺陷，又用一层在一侧挡土加之坡地的不稳定造成的震害，而不应将这一震害没有限制的推广到有多个高层塔楼的大型地下室工程中。30

5）文献③在对规范的条文和条文说明有如下解释：

“《抗规》的条文分为“强制性”和

“非强制性”两类，建设主管部门对条文的执行有明确规定。条文说明只是为了理解和实施条文所作的解释性文字、数据、图表和公式等，有些内容甚至保留了89规范和2001规范的内容，目的是便于设计人员学习规范，了解规范背景和历史沿革。因此，不能将条文说明等同于条文本身，也不能要求设计都按照条文说明执行。”31

32上述《抗规》6.1.14条条文说明的最后一句话首先是在条文说明中，并且用词为“宜”。因此应该允许有其他的解决方案。

2.我们的解决方案（含多种情况）：

1）我们贯彻规范编制者对《抗规》地震作用是“规范估计法”的指导思想，把握“简化”和“行之有效”的原则，提出方案。33

2）如图，有斜线部分为三边覆土，没有斜线部分为一边临空，示意地下一层平面，沿X、Y轴坐标系，两个轴分别用XA、XB、YA、YB表示地震作用的不同方向。34

35当地震作用为XA方向时，由于地下一层临空，地下一层不足以约束其上的塔楼，地下二层起到约束作用。

当地震作用为XB、YA、YB方向时，由于三边均有覆土。地下一层顶板有约束作用。

36因此遇这种情况，将地下室上的塔楼和裙楼都分别按嵌固在地下二层顶

板和嵌固在地下一层顶板进行计算，取

其结果的包络，抗震措施和构造措施也

按两个嵌固层包络，其他均按常规设计，这样既解决了临空面的问题，又保证了

工程的整体性，也避免了出现上述各类

问题。

37建筑高度的计算按就近的室外地面起计算的原则，临空面一侧一定范围内的塔楼就要按地下二层顶板的室外地面算起，其他塔楼就按地下一层顶面的室外地面算起。

3.解决方案的延伸：38

沿上述简图XB方向较深的塔楼，如果考虑地下室两侧的土的摩阻力和地下室底板的摩阻力大于XB方向的静止土压力，且考虑地下室两侧墙和地下室中的剪力墙的相当大的抗侧刚度，也可以按文献③将其仅嵌固在地下一层顶板进行设计。

4.坡地上四层左右的单栋或两个单元联排的小型建筑，规划师和建筑师为减少大面积的挖填土方和提升建筑品质在坡地上依山就势的布置，往往会大量出现下部一层进车，上部一层甚至两层为入户入口，这样就出现了一侧需要一层或两层高挡土的问题，现提出处理的原则如下：39

1）在整个区域场地工程地质稳定性分析的基础上，依据岩土工程勘察报告提供的参数，对每个单栋建筑设计挖填方后的场地进行稳定性分析，确保建筑的场地是稳定的；40

2）原则上建筑前后地面高差两层的建筑，应设挡土墙将建筑与后部的陡坡分开（中风化或微风化基岩的场地除外），并按《地基基础规范》进行挡土墙设计，挡土墙的构造如温度缝、排水孔、墙址排水沟等均应按规范设计。挡土墙的抗震设计应按《建筑抗震鉴定标准》（GB50023-2009）取挡土墙结构的地震角，并按《抗规》3.3.5条实施。41

3）对建筑前后地面高差为一层的建筑，可依据建筑的具体情况，由下述方法中选取：

a.我们总结设计成果，7度半以上的抗震设防区，对单栋或两个单元联排的小型建筑，采用剪力墙结构比框架结构更符合建筑功能要求，并且不比框架结构造价高，而抗侧刚度远大于《抗规》要求。42

当这类建筑出现一侧有挡土要求时，可将挡土一侧设计成全剪力墙，控制建筑整体的扭转位移比不大于1.5。挡土的抗震设计按《抗规》3.3.5条或文献9进行设计。43

b.第二种方法，将挡土一侧的墙体与

挡土结构（钢筋混凝土墙或重力式挡墙）分开，中间设柔性防水材料，挡土计算

和抗震计算按《抗规》3.3.5条或文献9进行设计。44

c.第二种方法同上述第2）款的作法，单独设重力式挡土墙。

5.当大型地下室地下一层设有地下商场或超市时，地下一层顶板往往会开较大的洞口，设计成下沉式广场或共享空间，这给抗震和消防都带来了较大的困45难。我们采取如下措施：

1）与建筑师协商，尽可能避免洞口过长，对较长的洞口布置一些采用梁板结构的连廊，板厚大于180mm，补充由于开洞削弱的水平力传递作用；

2）靠近洞口的塔楼分别按嵌固在地下二层和嵌固在地下一层进行抗震分析，并取其结果的包络，抗震措施和构造措

施也取两个嵌固层的包络。46

6.当对地下一层的临空面进行埋土夯实时，什么条件可以认为其侧限作用可视为近似的嵌固。

建议按同时满足以下三个条件来判别：47

1）h0/h≥2/3

2）L/ho≥1