地下室结构的分析与设计探讨
摘要：本文介绍了地下室结构的设计要点，提出了地下室嵌固部位的确定方法。
关键词：地下室；结构；分析；设计
引言
近年来带地下室的多高层建筑越来越多，这是由地下室的特殊功能决定的：1、满足结构设计要求，带地下室的建筑加大了基础埋置深度，地面以下部分受到回填土的约束，有利于提高结构整体抗震性能及减少基础沉降。2、满足使用功能需求，带地下室的建筑增加了有效使用面积。3、满足平战结合需求，地下建筑平时可作为地下通道或储藏库，战时可用于人民防空，还可以应对紧急突发事件的特殊需求。因此，高层建筑宜设地下室。
1 地下室结构的设计要点
1.1 地下室与上部结构的整体分析思想
带有地下室的多高层建筑是一个由上部结构与地下室结构共同组成的完整的受力体系，具有共同的位移场，相互协调变形。地下室与地上建筑并没有本质的区别，在建模方法和计算分析方面，地下室与地上结构基本相同。可以将地下室与上部结构作为一个整体统一考虑，这不仅使计算分析更符合工程实际情况，也大大提高了设计效率。
1.2 地下室受力分析
1.2.1 恒、活荷载。地下室与上部结构整体分析方法，不仅可以正确完成全楼的竖向导荷及内力计算，而且可以考虑地下室的位移和变形对上部结构的影响，使计算分析结构更符合真实情况。
如果地下室上部是没有建筑物的空旷场地，地下室顶板的附加荷载除考虑覆土重量外，还应考虑消防车及其它重型施工车辆的荷载。
1.2.2 风荷载。地下室在地面以下，不受风荷载的影响。SATWE软件总信息中没有“地下室层数”选项，如该项不为0，表示有地下室，程序自动取地下室部分的基本风压为0，上部结构风荷载计算中自动扣除地下室部分的高度。
1.2.3 地震作用。由地下室质量产生的地震作用主要被室外回填土吸收，只有少部分由地下室构件承担，因此按《抗震规范》第5.2.5条进行地震剪力调整时，如地下室部分的最小地震剪力系数不满足要求也可以不予调整。
1.3 回填土作用
地下室外围的回填土对地下室有约束作用，而且仅约束水平位移，不约束竖向位移和竖向转动。鉴于目前规范的反应谱理论是基于刚性地基假定的，建议采用两种分析方法考虑回填土的约束作用：
1.3.1 嵌固水平位移法
将上部结构与地下室作为一个整体考虑，嵌固端取在基础底板处，根据地下室与相邻上部结构楼层侧向刚度比的大小，确定合适位置限定水平位移为零。
1.3.2 弹簧刚度法
将上部结构与地下室作为一个整体考虑，嵌固端取在基础底板上，并在每层地下室的楼板处引入水平弹簧刚度，其值的大小反应回填土对地下室约束作用的强弱。
SATWE软件设有选项“回填土对地下室约束作用的相对（弹簧）刚度比”，其含义是回填土的约束刚度与地下室全身抗侧移刚度的比值，其取值可以分为三种情况：
a.若取值为0，表示不考虑回填土的约束作用，即地下室与回填土接触（如另有挡土墙）；
b.若取值在1至100之间，表示回填土对地下室有一定的约束作用，约束越强取值越大，程序的隐含值是3；
c.若取值为负数m，表示地下有嵌固部位，地下室下部的m层无水平位移。
1.4 外墙设计
地下室外墙承受的荷载，除上部结构传递来的恒、活、风荷载和地震作用外，还有地下室本身的竖向荷载、地面活荷载、侧向土压力和地下水压力。在实际工作中，风荷载和地震作用产生的内力一般不起控制作用，墙体平面外配筋主要由垂直于墙面的水平荷载产生的弯矩和竖向荷载产生的轴力组合的压弯作用控制。
SATWE软件要求输入：回填土容重、室外地坪标高、回填土侧压力系数、地下水位标高、室外地面附加荷载等参数，以便程序考虑侧向土、水的压力，并按单向板简化计算垂直于墙面的水平荷载产生的弯矩，但在计算中未考虑塑性内力重分布和地下室外墙越层等情况。考虑到地下室外墙受力的特殊性，SATWE软件在混凝土构件配筋图中，同时标注地下室外墙每延米的水平和竖向分布钢筋的配筋值，而不同于地上剪力墙仅标注水平分布钢筋配筋值。
1.5 人防设计
地下室有人防设计要求时，应在人防设计信息中输入：人防设计等级、人防地下室层数、顶板人防等效荷载、外墙人防等效荷载等参数。SATWE软件允许任意指定有人防设计要求的地下室楼层，任意设定各房间人防荷载值，定义临空墙，自定义人防荷载组合，在计算中程序会将地下室顶板的竖向人防等效均布荷载、外墙的水平人防等效均布荷载和临空墙的水平人防等效均布荷载，与前期输入的其它荷载共同考虑分析，如图2所示。根据《人防规范》的规定，在人防作用效应组合下进行构件验算和结构延性比计算时，混凝土和钢筋的材料强度取其动力强度，并考虑了人防规范要求的各项修正调整系数。
2 地下室嵌固部位的确定
结构的嵌固部位是多高层建筑计算模型中的一个重要假定，嵌固部位的正确设定直接关系到结构计算模型与结构实际受力状态的符合程序，构件内力及结构侧移等计算结果的准确性。所谓嵌固部位就是预期塑性铰出现的部位，从理论上讲，结构下部的嵌固部位应能结构上部构件在三个水平方向的平动位移和转角位移，并将上部结构的剪力全部传递给地下室，因此对作为主体结构嵌固部位地下室楼层的整体刚度和承载力应加以控制。确定嵌固部位可以通过对结构刚度和承载力的调整，迫使塑性铰出现在预定部位来实现。
对没有地下室的建筑物，一般设计通常假定上部结构嵌固在基础结构之上。对带地下室的建筑物，由于地下室周边的挡土墙的平面内有很大的刚度，墙外土体对地下室有很强的约束作用，了侧向位移，高层建筑在地下室顶部产生刚度突变，在地震作用下，很可能使塑性铰由基础顶面转移到地下室顶部或地下室的某一楼层以上。正确分析计算嵌固部位的位置及合理提高嵌固楼层的构件刚度，对地下室设计至关重要。
2.1 嵌固部位的刚度比要求
根据规范精神，地下室嵌固部位结构应能承受上部结构屈服超强引起的内力及地下室本身的地震作用，且须适当考虑延性措施，为此地下室嵌固部位的楼层刚度不应小于相邻上部结构楼层刚度的2倍。值得注意的是，规范提供了三种楼层刚度比的计算方法，分别是剪切刚度比、剪弯刚度比和地震力与相应的层间位移比。建议在确定地下室嵌固部位计算时，宜采用剪切刚度比或地震力与相应层间位移比的计算方法。
当地下室是上部多塔楼的大底盘（没有裙房），拟将地下室顶部作为嵌固端的条件是，大底盘地下室的整体刚度与所有塔楼有效影响范围内的地下室（塔楼周边向外扩出与地下室高度相等的水平长度）剪切刚度与相邻上部塔楼的剪切刚度比不应小于2。
2.2 将地下室一层顶板作为嵌固部位的构造要求
带地下室的多高层建筑，通常将上部结构的嵌固部位设在地下室顶板，应特别注意的是，作为嵌固部位的地下室楼层除了应满足上述刚度比要求外，还必须满足下列规范中抗震措施的要求：
2.2.1 地下室一层的抗震等级与上部结构相同，地下室一层以下楼层或地下室没有上部结构的部分，抗震等级可根据具体情况采用三级或更低等级。SATWE软件可以任意设定各类构件的抗震等级和材料强度等级。
2.2.2 地下室顶板与室外地坪的高差宜小于本层层高的1/3。
2.2.3 地下室顶板应采用现浇梁板结构。顶板不应开大洞，板厚度不宜小于180m，混凝土强度等级不应低于C30，应采用双层双向配筋，每个方向每层筋不宜低于0.25%。
2.2.4 地下室柱截面每侧纵向钢筋面积，除应满足计算要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍。应注意软件不能自动实现该项要求，设计人员可在施工图设计时将钢筋放大系数取为1.1，增加的纵向钢筋不应向上延伸，可锚固在地下室顶板的框架梁内。
2.2.5 地下室顶板的框架梁应有足够的抗弯刚度，地下室顶板的梁柱节点左右梁端截面实际受弯承载力之和不宜小于上下柱端实际承载力之和。SATWE软年可以按照此项要求进行设计内力调整。
2.2.6 地下室一层的剪力墙应作为加强区配置约束边缘构件，地下一层以下可以不加强。SATWE软件设有选项“剪力墙加强区起算层号”。通过该选取项可以指定剪力墙的加强包括地下室一层。
2.3将地下室其它楼层作为嵌固部位的条件
如地下室顶板开大洞，地下室顶板与室外地坪的高差大于本层层高的1/3，或地下一层为墙体较少的停车库等情况，不能满足首层地下室顶板作为结构嵌固部位的要求时，可将嵌固部位下移到地下室其它楼层的顶板或地下室底板，此时地下楼层除满足规范抗震措施的要求外，尚应满足以下条件：
2.3.1 地上一层往下各楼层的剪切刚度应递增，且嵌固楼层的剪切刚度应大于地上一层剪切刚度的2.0倍，则该楼层顶板可作为嵌固部位。
2.3.2 如该地下楼层全部为人防地下室，其人防顶板一般可作为嵌固部位。
2.3.3 地下室底板（基础）刚度较大时，例如箱型基础筏型基础等，其基础底板可作为嵌固部位。
