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浅析开敞地下室的高层结构设计

所属栏目:建筑设计论文 发布日期:2021-11-27 10:05 热度:

   摘要:随着现代城市建设规模的扩张,高层建筑屡见不鲜,建设场地标高复杂化现象也愈发普遍。为避免深挖高填,场地竖向标高设计时将尽可能契合现状地面标高,因此可能出现地下室周圈室外覆土面标高不同的情况。如一侧室外地面标高同顶板覆土面,另一侧室外地面标高同底板面,上述情况将大大影响高层的结构设计。本文通过对此类高层整体受力及稳定性计算进行分析,介绍了上部结构及基础设计所采取的措施,可为类似项目提供参考。

  关键词:高层结构;敞开地下室;基础无埋深;地基整体稳定性

浅析开敞地下室的高层结构设计

  1工程概况

  本项目位于福清市海口镇则徐大道南侧,305省道东侧,由7栋分别为28~33层的高层住宅组成,下设一层(局部两层)地下室。拟建场地属于丘陵坡地地貌,地势北高南低,西高东低。因场地标高变化急剧,方案设计为避免深挖高填,南侧地下室底板标高已大致与室外地面标高持平。

  2设计条件及待解决问题

  2.1设计基本条件

  根据《建筑结构可靠性设计统一标准》的规定,本工程设计基准期为50年,结构的设计使用年限为50年,建筑结构安全等级为二级。根据《中国地震动参数区划图》的规定,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,设计地震分组为第三组,建筑物场地类别为Ⅱ类。根据《建筑抗震设防分类标准》的规定,本工程抗震设防类别为标准设防类(丙类)。基本风压:WO=0.80kN/m2(50年一遇);地面粗糙度C类,风荷载体型系数按照《高规》附录计算取1.34。根据地勘资料,场地土层揭示如下:1杂填土;2粉质黏土;3全风化凝灰熔岩;4砂土状强风化凝灰熔岩;5碎块状强风化凝灰熔岩;6中风化凝灰熔岩。高层基础采用旋挖灌注桩,持力层取中风化凝灰熔岩。

  2.2结构设计所存在问题

  本项目因地下室南向全敞开,与通常情况下全埋地下室有所区别,所带来问题如下。(1)上部结构设计时,地下室是否需定义为裙房,即本项目是否属于带大底盘多塔结构。(2)基础设计时,主楼基础面标高同现有室外地面标高,埋深不满足建筑地基基础设计规范的要求:在抗震设防区,除岩石地基外,天然地基上的箱形和筏形基础其埋置深度不宜小于建筑物高度的1/15;桩箱或桩筏基础的埋置深度(不计桩长)不宜小于建筑物高度的1/18。

  3上部结构受力分析及设计

  3.1受力分析

  首先,当高层建筑带裙房时,因受建筑条件限制,塔楼结构质心与底盘结构质心普遍存在偏心,在水平力作用下,结构容易产生较为复杂的扭转振动。其次,与常规全埋地下室侧墙四面围合有所不同,非全埋地下室侧墙往往出现单侧或两侧无侧墙的情况,此现象将进一步造成地下室刚度中心与质量中心偏离,加剧扭转效应。再者,地下室一般为框架结构体系(主楼范围外),柱位少而疏;上部高层一般为剪力墙结构,剪力墙多而密,二者之间抗侧刚度存在显著差异。上述多种因素下,带敞开地下室的高层结构在水平力作用下,无侧墙一侧的地下室远端将存在明显的扭转效应。对此,为削弱此类结构的扭转效应,可沿地下室开敞一侧人为增设钢筋混凝土外墙,使地下室四周侧墙围合,形成侧向刚度很大的结构体系。在水平力作用下,此地下室侧向变形将趋近于零,地下室远端的扭转效应将被大大削弱。分别取地下室侧墙不围合与围合两种模型计算,其结果对比如图1、图2。侧墙不围合时,一层最大层间位移角分别为:X向地震工况下为1/2961;Y向地震工况下为1/9999,X向风荷载工况下:1/3291,Y向风荷载工况下:1/7001侧墙围合时,一层最大层间位移角分别为:X向地震工况下为1/9999;Y向地震工况下为1/9999,X向风荷载工况下:1/9999,Y向风荷载工况下:1/9999。侧墙不闭合时,一层最大位移比及最大层间位移比均为1.41,侧墙围合时,一层最大位移比及最大层间位移比均为1.13。故在采取此措施后,此类地下室可认为与普通全埋地下室并无太大差异,不属于主体结构的裙房,上部结构亦不属于多塔结构。

  3.2上部高层包络设计及构造加强措施

  (1)敞开地下室虽人为增设侧墙封闭,但由于室外无覆土约束,上部单体结构应偏于安全按无地下室进行设计,计算高度取至地下室底板面。(2)上部单体虽按嵌固于基础面设计,但地下室顶板的实际约束作用不可忽略,需另按嵌固于地下室顶板面进行包络设计。(3)当地下室顶板不可避免存在高差变化时,为保证顶板位置水平力传递路径的连续有效,顶板高低差处均采取加腋措施,防止顶板形成错层结构,造成传力途径中断。

  4基础受力分析及设计

  4.1基础形式选取

  根据地勘报告,本工程采用旋挖灌注桩基础,桩身直径900mm,持力层取为中风化凝灰熔岩,桩长约20m,桩身混凝土强度采用水下C35,桩身配筋取14根20,桩身配筋率约为0.69%。

  4.2基础受力分析

  根据《建筑地基基础设计规范》(GB5007—2011)第5.1.3条,“高层建筑基础的埋置深度应满足地基承载力、变形和稳定性要求。位于岩石地基上的高层建筑,其基础埋深应满足抗滑稳定性的要求。”《建筑地基基础设计规范》(GB5007—2011)第5.1.3条条文说明,“根据相关工程实践经验和科研成果,在考虑了地震作用和地基的种种不利因素,并采用圆弧滑动面法进行分析后可知,高层建筑地基整体稳定安全系数随基础埋深增加而提高。”规范关于基础埋深的相关规定,旨在保证建筑地基整体稳定性。考虑到建筑抗震设计规范中,建筑物抗震设防以“三个水准”作为设防目标,即实现建筑物“小震不坏、中震可修、大震不倒”为最终目的,结合地基基础设计规范及抗震设计规范,当建筑物基础无埋深时,若建筑物基础在小震及大震工况下,均能满足抗倾覆、抗滑移的稳定性验算,则认为该基础设计满足建筑地基整体稳定性要求,并符合抗震设计关于建筑物“三个水准”的抗震设防目标。因地下室非全埋,无室外覆土约束,在水平力作用下,基底弯矩及剪力将直接由基桩承受。基底弯矩作用下,群桩一侧受拉,一侧受压;剪力作用下,基桩在承台作用下共同受剪。基础力学模型简化如图3。因此小震及大震工况下,若基桩均能承受相应工况下的产生的最大水平剪力、拉力、以及压力,则认为该基础设计可满足相关规范的要求。

  4.3基础验算

  本文暂以大震工况下基础受力验算进行分析。4.3.1基桩受压验算根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008),桩身抗压强度:N≤ΨcfcAps+0.9fyAS考虑大震工况,fc取fck,fy取fyk,不考虑钢筋折减系数,成桩工艺系数Ψc取0.8,则桩身抗压强度标准值:N≤0.8×23.4×635850+4396×400=13661kN经计算,大震工况下基桩最大压力图如图4。基桩最大压力约为12700kN,小于桩身抗压强度,大震工况下基桩受压验算满足要求。4.3.2基桩受拉验算不考虑混凝土抗拉强度,根据桩基规范,单桩抗拉强度标准值即为桩身钢筋抗拉强度标准值,Nt≤fykAS=400×4396=1758kN。经计算,大震工况下基桩最大拉力图如图5。基桩最大拉力约为1100kN,小于桩身抗拉强度标准值,大震工况下基桩受拉验算满足要求。4.3.3基桩抗剪验算根据桩基规范,对于桩身配筋率ρg≥0.65%的灌注桩,可按下列公式计算单桩水平承载力特征值:Rh=0.75×α3EI/νxχoa其中:d0=d-2cαE=Es/EcW0=πd[d2+2(αE-1)ρg·d02]/32EI=0.85EcI0b0=0.9(1.5d+0.5)α=(m·b0/RI)1/5计算可得:Rh=626kN则地震作用时,桩基水平承载力:RhaE=1.25Rha=783.3kN单桩水平承载力特征值取350kN进行计算。经计算,大震工况下基底剪力:Vx=21493kNVy=29612kN设计总桩数为65根,桩基整体抗剪承载力标准值为:65×350×2=45500kN大震工况下基桩抗剪承载力验算满足要求。综上,大震工况下,该基础设计满足地基与基础设计规范中关于整体稳定性的要求。

  5结论

  虽本项目高层建筑因没有埋置深度,对其抗震性及整体稳定性产生一定的不利影响,但经合理的结构设计及采取必要的加强措施后,此类建筑亦能满足相应的安全性及抗震性,实际设计中采取的具体措施如下:(1)人为增设地下室侧墙并使之围合,减小开敞地下室的不利影响;(2)通过对大震工况下的桩基计算,保证其基础整体稳定性;(3)加强顶板、底板的厚度及配筋率,并对顶板、底板高低差位置进行加腋处理。

  参考文献:

  [1]JGJ3—2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S].

  [2]GB50011—2010.建筑抗震设计规范[S].

  [3]GB5007—2011.建筑地基基础设计规范[S].

  [4]JGJ94—2008.建筑桩基技术规范[S].

  《浅析开敞地下室的高层结构设计》来源:《绿色环保建材》,作者:黄超峰

文章标题:浅析开敞地下室的高层结构设计

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