对高层建筑地下室工程结构设计的探讨_建筑设计论文发表

分类：建筑设计论文发表 时间：2011-08-03 09:03 关注：(1)

对高层建筑地下室工程结构设计的探讨

许利明、陈荣根

摘要:高层建筑上部荷载大，基础埋置深度也较深，地下室的设计是否合理直接影响到建筑物的正常使用。本文是作者根据多年工作经验，对高层建筑地下室工程结构设计进行了探讨。

关键词: 高层建筑 地下工程 逆作法 结构设计 探讨

一、 地下柱分析

1 分析的顺序

随着地下、地上工程的进展，确定地下柱的计算长度，及此时相对应的垂直荷载，计算出1根柱的轴力，再根据此轴力来设计柱的截面、桩断面、柱插人桩的部分。一般情况地下柱的设计顺序如图1所示。

 

2 地下柱的配置

地下柱的配置应符合规范要求。通常，地下柱设计为劲性柱或钢管混凝土柱。

3 地下柱承受的荷载(见表1)

 

 

以这些荷载为均布荷载，再根据柱的荷载承受范围，计算出作用于该柱上的集中荷载。另外，逆作法的荷载需依据对应的工程进度表，由荷载渐增的施工阶段来求出。

(1)固定荷载

按通常的结构计算中建筑物重量的步骤进行计算，对应于工程进度表中不同时点，计算该时点的固定荷载。

(2)临时

堆积荷载包含以下内容:①固定式起重机荷载计算出起重机作业时底部反力;②作业荷载按均 布荷载，由地下柱承受;③首层楼板机动荷载机械、车辆等驶人时的荷载。

(3)风载

地上部分受到风荷载的水平作用力，导致首层柱轴力加大，计算出地下柱的轴力增大值。

(4)地震荷载

地上部分受到地震荷载的水平、竖向作用力，导致首层柱轴力加大，计算出地下柱的轴力增大值。

另外，地下四周有裙房时，也不可将首层梁的应力分散来考虑，应假定地上建筑的荷载直接由主楼(塔楼)下的地下柱来承受。水平地震力通过首层梁板传向地基四周的柱多假定为不起作用。比较风载 地震荷载的大小，采用最不利者。

4 确定容许压力

地下柱钢构被作为临时支撑使用，使用期限随地下工程的规模而变，通常在一年以内。容许应力依据工程条件，施工条件的变化而定，一般依据重要性来考虑。

二、地下柱设计

设计地下柱时，应注意以下几点:选定截面形状，设定弯曲率，确定计算长度。

1 截面形状的选择

地下柱应按规范规定的原则配置。柱钢构埋人柱混凝土中，以此来确定柱截面形状及尺寸。另外，地下柱施工时垂直误差可能达到L/300(L为材料长)，在选择时也应考虑此误差。

2设定弯曲率

在钢构中引起的弯曲率，应考虑以下几类:①荷载的力矩;②施工时偏心误差引起的弯曲。地下柱施工时允许误差为1/300～1/600。因此在设计地下柱时，应以1/300的偏心率误差来考虑弯曲率。

3 确定计算长度

设逆作法各施工阶段钢构计算长度为 ，土方挖完时构件长为H，并依据端部约束条件来确定计算长度系数 ，则 = H。根据以下端部约束条件所确定的Kl、K2值，查《钢结构设计规范》GB50017-2003附录四的表格，得到计算长度系数 。地下柱端部的约束形式按如下规则确定:①柱同梁结构以螺栓连接时，可按“铰接”考虑;②柱两端埋人板中时，按“固接”考虑;③柱埋入基础桩时按“固接”考虑;④柱支撑在水泥旋喷桩等改良地基上时，按“铰接”考虑;⑤柱在中间有横向钢梁紧密连接时，端部按“铰接”考虑;⑥柱直接支撑在地基土层中时，依据地基土层状况，可按“铰接”考虑。

逆作法施工过程中，柱上部浇筑梁板时被固定，柱下部埋人土中，可按上端固定，下端铰接考虑。柱脚 是 最深的位置，是柱截面计算上的最不利位置，多在此部位对截面计算。而且，端部连接越固定，截面性能越高，通常考虑用连接材料加固柱脚来减小截面的方法。

三、 基础桩、柱脚连接部位设计

1 基础桩按混凝土灌注桩进行设计

大多事例要求必要的桩的容许承载力大，桩的直径超过2m时，桩脚要扩大。当超过桩的设计适用范围时，有必要增加地下柱以降低每根桩所承受的荷载。

2 柱脚埋深设计

逆作法施工中，地下结构未施工完以前，地下先施结构、施工荷载、地上结构自重等荷载暂时由柱钢构支撑。且通过柱脚埋人钢筋混凝土桩中部分，将应力传递给钢筋混凝土桩。

柱脚应力传递基本按以下几点考虑:

(1) 附着力

柱脚插埋侧边同混凝土间的附着力是上部力向下部力传递的应力之一。大多事例采用的容许附着应力值为混凝土强度的3%。附着力为:

式中: 为附着力， 为周长， 为埋插深度， 为容许附着应力值。

当附着力不足时，增加钢构肢数，加大附着面积，以确保附着支撑力。

(2)压力

考虑柱底面与混凝土桩间压力，柱投影截面上作用在混凝土桩上的压力。因此，有必要设计基础钢板来均匀传递压力。当柱埋人混凝土桩中相对较浅时，底面下有基础钢板与柱插入混凝土桩中部分可能会残留有软泥等。而且有可能底板下的混凝土下沉产生孔洞，可在底板上开口，提高混凝土灌注桩的填充性等，使连接部位达到预期压力。

(2) 螺栓剪力

柱脚插埋部分水平安装抗剪双头螺栓，能传递柱的压力。其容许剪力依据《钢结构设计规范》GB50017-2003求得。

(3) 埋插部分的设计

埋插部分的柱钢构和基础桩间的应力传递大多以较确定的钢构和混凝土间的附着力为主体设计，并且埋插部分附着面积不足时，附着力也会不足。而加肢补偿完后，附着支持力增加。螺栓安装后，会再一次增加抗剪力。另外，也常见以压力为主支持力的事例。

四、 梁、板加固

逆作法中为了利用首层板作为作业平台，针对堆积荷载，机动荷载等需对首层板、主梁、次梁等构件进行补强加固。计算方法参见相应的结构设计规范。补强加固需考虑以下荷载:塔吊等固定式起重机;小型挖土机、自卸汽车、移动式起重机、商品混凝土罐车等机动车辆;随着土方开挖，柱基受挤上浮，又随着上部工程的施工再下沉，挡土护壁变形，随着地下降水，挡土护壁的下沉等作用于首层梁上作用力;由临设中斜撑的反力引起的向上的荷载。

另外，由于逆作法利用地下结构做挡土支护，楼板开口(原设计或临设)将削弱挡土支撑。针对土压有必要进行补强加固。特别是地下工程较深时，由于下层土压较大，尤其必要。

1 对设有固定式塔吊的梁补强加固

(1) 脚部及梁的反力计算荷载塔吊的设置条件中，作用于梁上的反力可参考塔吊性能的数据来计算。梁上的荷载分别在施工时、暴风时及地震时这3种情况下进行计算。

(2) 计算梁中应力及确定截面分别求出自重及塔吊荷载引起的应力，两者之和即为最大应力值。同时，有必要考虑梁受向上拉力及梁端部的剪力作用下的容许强度。应力按连梁且两端固定的条件计算。另外，必须做剪力验算。特别是钢筋混凝土梁，其截面大多数由剪力决定，板厚应在250～350mm。

2 机动车辆驶人引起的梁、板补强加固作用于板上的荷载应考虑固定荷载、活动荷载及施工时的水平力等。

(1) 施工机械自重及载重的总和。

(2) 各种作业车辆的活动荷载:① 自动卸货汽车作业时各车轮的荷载分担可参考图5来设定。②商品混凝土罐车(5.5m3)应考虑冲击的后轮荷载(后轮承担全部荷载的70%)。③作业时的水平力为施工机械、车辆行走时及作业时的冲击荷载增量为20%.④地震时的水平力按抗震规范来计算。

3 楼板开口针对土压力的补强加固对于原设计中结构通风口或开口的补强加固方法，针对其开口为施工时能否利用分别采取措施。

(1)不做材料运输的开口开口下方可搭设挡土横撑来补强加固。即使用型钢横梁或设计临时钢筋混凝土横梁。

(2)材料运输的开口对开口外侧的梁、板补强加固需确保开口的面积。为加强抗弯强度应对靠近外墙的梁增大主筋量。并应加大截面以提高抗剪强度。但土压在500kN/m以上时对外周梁、板的补强加固很难满足要求。因此在施工时，临时开口应设在距外边沿1个开口跨度以上的距离内。

结束语

通过分别对地下柱、首层梁、板在逆作法施工过程中的荷载分析，并进行承载力验算，当原设计不满足施工荷载时，可按以上方法加大构件强度。以保证地下结构在逆作法施工中的安全性，使工程得以顺利施工。