刘江辉
重庆卓创国际工程设计有限公司 重庆 401120
摘要：坡地地区的高层建筑，由于地形所限地下室达不到全埋要求，周围土体对其约束不均衡、地下室外墙受力不均衡，与全埋式地下室受力状况不一致，结构设计中会有结构刚心偏置、嵌固部位的选取、基础埋置深度的计算、不平衡土压力对主体的不利作用等一系列常见问题，本文从抗震概念设计和力学原理为出发点，针对这些问题总结了设计中的一些方法和实际措施，可作为参考。
关键词：坡地建筑；半埋地下室；结构设计
引言
随着我国西部大开发战略的进一步深入，西南地区经济的发展速度逐渐加快，但是由于当地地形地貌限制，加之为了避免大量开挖对山地原有自然地貌造成破坏，以及因此而形成地质灾害隐患，在坡地高层建筑中沿原有地貌修建一侧全埋另一侧敞开的地下室工程越来越普遍，此类建筑因减小了开挖量，造价节约，但由于地下室周围土体的嵌固约束作用不均衡，对于结构抵抗地震作用、土压力等方面都是不利因素，对结构受力性能也会有较大影响，地震作用下的受力规律更复杂。此类结构主要是因为结构底部嵌固位置不一致，加之由于周边地形地貌标高变化范围大，地下室各边埋置深度不一致，且地下室敞开一侧未设全钢筋混凝土外墙，会使结构在地下室部分的刚心位置与质心位置出现较大的偏移，在水平地震力作用下会出现极为不利的扭转，甚至会对结构造成严重的破坏。结构设计时对此类结构的基础埋置深度的计算、嵌固部位的选取、确定房屋适用高度时的房屋高度计算，文中以抗震概念设计和力学原理为出发点，对此类半埋式地下室结构设计中应注意的若干问题进行总结并提出若干建议。
1半埋式地下室结构设计问题探讨
1.1结构刚心与质心的偏移问题
位于坡地地区的半埋式地下室，由于地形的限制，实际中经常存在的情况是仅有临近坡体的一侧或几侧，因需要对边坡土体进行支挡而设置了钢筋混凝土挡墙，而剩下的边界由于为临空的敞开面并未设置钢筋混凝土外墙，这就使得地下室结构刚心偏向于设置了钢筋混凝土地外墙的一边，加之临近坡体一侧的地下室外墙受到相邻土体很大的侧向约束，导致地下室结构刚心的偏置。此类结构在受到水平力地震力作用时产生对结构自身很不利的扭转作用，严重时会使得地下室结构甚至上部结构发生破坏。为避免这种情况的出现，设计中可将此类半埋式地下室四周全部设置为钢筋混凝土外墙，这种全闭合的钢筋混凝土地下室刚度较为均匀，并且这种钢筋混凝土地下室的整体抗扭刚度相当大，即便地下室四周的土体对其的约束作用不均衡，但由于自身的抗侧移及抗扭能力较强，可以有效的限制结构产生较大的侧向位移和扭转位移，从而保证了此类结构不会发生扭转破坏。但是由于此类地下室具有较长的全砼外墙，一方面会增加工程造价，另一方面可能会影响开敞一侧建筑的使用功能，因此在实际设计中可结合建筑在门窗处留设洞口，或者根据模型的实际计算结果来确定需要设置砼外墙的位置，前提是必须要保证地下室有足够的抗扭和抗侧移刚度。
1.2上部结构嵌固部位的确定
若要作为上部结构嵌固部位，理论上需要满足该处的水平位移和转角均为零。高层建筑中能满足上述基本条件的一般只有地下室顶板。对于普通的全埋地下室，由于其自身刚度较大、加之周边土体对其的约束作用也很大，因此这种地下室刚度都会数倍于其上部结构的刚度，可以很好的起到限制上部结构位移的嵌固作用。所以设计中应尽可能将上部结构的嵌固部位选择在地下室顶面。但是对于半埋式地下室，由于土体的缺失，无法在开敞一侧形成有效的约束，地下室整体也就不能对上部结构在地震作用下产生的位移和结构水平力进行有效的约束和传递，因此这种半埋式地下室的顶板不能满足做为嵌固部位的条件，此时就需要将嵌固端下移，取为基础顶面，此部位四周有土体的有效约束，因此可选取基础顶面作为上部结构的嵌固端。另一方面由于地下室自身的刚度很大，即便地下室顶板不能取作嵌固部位，但地下室及上部构件在顶板处存在竖向刚度的突变，地下室顶板部分也产生一定的嵌固作用，因此在实际设计中可以对地下室顶板采取一定的加强措施。
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因此对于半埋式地下室，可以通过增加地下室刚度（如增设钢筋混凝土墙）的措施来保证大部分的水平力会通过竖向构件直接向下传递至基础及周边的土体，这样就可以减小水平力作用下半埋地下室因刚心偏置而产生的扭转。
1.3基础埋置深度计算
选择基础埋置深度（简称埋深）是基础设计中的重要环节，关系到基础方案的优劣、施工的难易和基础造价的高低。基础埋深一般是指基础底面至室外设计地面的距离，其力学含义为只有能对结构进行侧向约束并可以把上部结构的水平作用力传递给土体的位置才可以作为基础埋深的起算点，因此对于半埋式地下室，应以室外较低一侧的地面才能作为基础埋置深度起算点，并宜符合规范中的下列要求：天然地基上的箱形和筏形基础，不宜小于建筑物高度的1/15；桩筏基础可取房屋高度的1/18。当基础埋深不能满足上述要求时，应对高层建筑结构在大、中、小震工况的地震作用及风荷载作用下进行抗倾覆和抗滑移分析计算，并采取控制措施，还要分析控制基础底面的零应力区。若为桩基础，还应对桩的竖向和水平承载力进行分析验算。
除此外，还要保证基础出现零应力区后上部剩下的受压竖向构件强度满足承载力要求，否则，基础无法承受上部全部重量。在基础的抗滑移验算中，须保证天然地基的基底水平力不能大于基底的水平摩擦力（对于桩基础，则要保证各工况下的基底水平力不可大于桩基的水平承载力）。设计时，可通过在基底设置抗剪键，或者将基础底板标高设置成逆坡以增大地下室的抗滑移能力。
1.4地下室外墙兼做挡土墙时的设计
由于场地的限制，坡地建筑中经常会将地下室外墙兼做为挡土墙，此时需采取有效措施保证地下室外墙的刚度及稳定性，并要采取措施来减小因室内外高差而形成的不平衡土压力对主体结构产生的不利作用。在设计中可以在地下室挡墙内侧设置局部的钢筋混凝土扶壁柱，或者设置与地下室挡墙相互垂直的混凝土墙，都能有效的减少不平衡土压力对结构造成的不利作用。在设计时应考虑将混凝土挡墙上的不平衡土压力输入结构整体来计算，若为桩基础还需要对其水平承载力进行验算。
２结语
对于山区坡地建筑中带半埋地下室的高层建筑，由于地下室周围土体的约束作用不均衡，与全埋式地下室受力状况有较大差异，在设计过程中可对其采取下列措施：
（1）因地下室有部分临空，周边土体对其约束作用很不均衡，此类地下室的刚心和质心会出现偏移，实际设计过程中可在临空位置增设全砼外墙，以便形成较为完整围合的钢筋混凝土地下室，以增大地下室的抗侧移和抗扭刚度，减小不利影响。
（2）上部结构的嵌固部位应下移并取在周围有完整土体约束的位置作为嵌固端，在地下室顶板处因为产生竖向刚度的突变且地下室顶板实际上起到一定的嵌固作用，应当对地下室顶板采取适当的加强措施。
（3）基础埋深要从室外地面的最低点作为起算面，当基础埋置深度不能满足时，应对高层建筑结构在大、中、小震工况的地震作用及风荷载作用下进行抗倾覆和抗滑移验算，并分析控制基础底面的零应力区。
（4）地下室外墙兼做挡土墙时，需采取有效措施保证地下室外墙的刚度及稳定性，还要考虑不平衡土压力对主体结构产生的不利作用并采取措施。
参考文献
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[2]朱炳寅.建筑结构设计问答及分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2013
[3]刘俊，许晋平.高层结构塔楼嵌固端问题研究[J].建筑结构，2013，43（5）
论文作者:刘江辉
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/13
标签：地下室论文; 结构论文; 基础论文; 刚度论文; 外墙论文; 顶板论文; 钢筋混凝土论文; 《建筑学研究前沿》2018年第20期论文;