張朝云

（重慶市設計院，重慶 400015）

帶地下室高層結構嵌固端相關問題研究

張朝云

（重慶市設計院，重慶 400015）

該文針對我國現(xiàn)行規(guī)范對帶地下室高層結構嵌固端的相關規(guī)定，運用了計算模型和算例分析的方法，通過對地震作用下的動力特性、變形特性和內(nèi)力特性等方面的比較，分別探討了剪切型和彎曲型高層建筑結構地下室頂板作為上部結構嵌固端的判定條件。

高層結構；剪切型；彎曲型；嵌固端；側向剛度

0 引言

高層結構在進行結構分析計算之前必須先確定結構嵌固端的所在位置，正確選取其結構嵌固端，是高層建筑結構計算模式中的一個重要假定[1]。特別是對于帶地下室高層結構嵌固端選取至關重要。

在現(xiàn)行國家規(guī)范 《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（簡稱《高規(guī)》）JGJ3—2010[2]中第5.3.7條規(guī)定：“高層建筑結構計算中，當?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y構嵌固部位時，地下室結構的樓層側向剛度不應小于相鄰上部結構樓層側向剛度的2倍”。而在《建筑抗震設計規(guī)范》（簡稱《抗震規(guī)范》）GB50011—2010[3]中第6.1.14條規(guī)定：“地下室頂板作為上部結構的嵌固部位時，結構地上一層的側向剛度，不宜大于相關范圍地下一層側向剛度的0.5倍”。

根據(jù)對比《抗震規(guī)范》，《高規(guī)》以及上海市規(guī)范《建筑抗震設計規(guī)程》（簡稱《上海市抗規(guī)》）DGJ08-9-2013[4]三本規(guī)范的相關內(nèi)容，除地下室頂板厚度，混凝土等級及柱配筋率等規(guī)定一致外，規(guī)范關于剛度比計算方法及范圍等內(nèi)容還有一些不一致的地方，列表敘述如表1所示。

從上述條文分析可知，規(guī)范對于剪切型，彎曲型以及剪彎型結構不同的受力特性下，嵌固點是否應區(qū)別對待，未給出相應的闡述，且對于帶大底盤地下室結構嵌固端的剛度計算方式及范圍有一定的沖突。因此本文選擇工程設計中最典型的剪切型和彎曲型高層結構為例，對規(guī)范關于結構嵌固端選擇的相關規(guī)定做進一步的研究和探討。

表1 規(guī)范關于嵌固規(guī)定對照表

1 剪切型高層建筑嵌固端選擇算例分析

1.1 概述

對于嵌固層上下剛度比的計算方法，原有 《抗震規(guī)范》GB50011—2008要求采用剪切剛度進行計算，現(xiàn)有《抗震規(guī)范》GB50011-2010[3]對此條進行了刪除。但根據(jù)“高規(guī)”的說明，初算時可以采用剪切剛度。

而按照《高規(guī)》[2]第3.5.2條規(guī)定，結構側向剛度應根據(jù)框架結構和其他結構，分別計算結構剛度。

對于框架結構，可取地震作用下的層剪力與層間位移之比：

其中Vi為層i的地震剪力標準值，△ui為i層地震剪力標準值作用下的層間位移。

對框架-剪力墻，板柱-剪力墻結構，剪力墻結構，框架-核心筒結構，筒中筒結構，剛度比應考慮層高的修正作用，即：

其中hi為層i的層高[5]。

根據(jù)相關分析資料可知，采用結構剪切剛度進行結構動力分析存在一定的誤差，故此本文擬采用有限元分析軟件首先對剪切剛度計算方法做進一步的分析，計算軟件采用SAP2000。

1.2 算例分析

本節(jié)利用SAP2000有限元分析計算軟件建立帶地下室的結構分析模型，建立兩種模型進行對比分析，第一種模型為簡化模型，即力學分析中常見的葫蘆串模型；第二種模型為普通結構三維模型[6-7]。本計算抗震設防烈度均取7度（0.10g），地震分組為第一組，場地土類別II類，其余參數(shù)根據(jù)實際工程計算進行確定，在此不一一列述。梁、柱的混凝土強度等級及柱截面尺寸根據(jù)地下室結構層與上部結構層側向剛度比進行調整。葫蘆串模型及三維模型標準層示意圖如圖1。

圖1 層模型及三維桿系模型示意圖

如前所述，框架結構剪切剛度主要由柱截面和混凝土等級控制。根據(jù)分析，可以通過調整混凝土彈性模量及框架柱大小調整地下室側向剛度。根據(jù)初算，地下室剪切剛度比取0.9～4.3均勻取值。分析數(shù)據(jù)結果整理如圖2、圖3。

圖2 結構頂點位移誤差值圖

圖3 結構自振周期誤差值圖

本節(jié)中定義誤差為：誤差k＝（地下室不嵌固模型參數(shù)a-地下室嵌固模型參數(shù)b）/地下室嵌固模型參數(shù)b。由圖示，結構底部剛度在逐步增大的過程中，誤差變化的趨勢是逐步變小。在當剛度比大于2～2.5時，曲線逐步變得平緩，誤差絕對值約為4%左右。根據(jù)相關工作經(jīng)驗可得，這種誤差率是處于工程允許的誤差范圍之內(nèi)的。

根據(jù)分析可得，當?shù)叵率覀认騽偠扰c相鄰結構層側向剛度比大于2時，結構的動力特性和變形特性的誤差值均較小，下面將研究不同剛度比對結構的內(nèi)力性能的影響。隨機選取圖中地上一層柱進行內(nèi)力分析，中柱和邊柱各一根，編號分別為C19及C26。分析數(shù)據(jù)結果整理如圖4、圖5。

綜上所述，對于剪切型高層結構，當下部結構樓層側向剛度與相鄰上部樓層側向剛度的比值逐步增大時，整體結構的動力性能，變形性能以及受力性能所產(chǎn)生的誤差值均逐步較小。當剛度比大于2時，其誤差值均小于10%，大部分計算結果誤差率小于5%，處于結構工程設計允許的誤差范圍之內(nèi)，即可認為此時可把地下室頂板作為上部結構嵌固部位計算。

2 彎曲型高層建筑嵌固端選擇算例分析

2.1 概述

該工程項目坐落于南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū),為廣西建設職業(yè)技術學院職工住宅樓。該工程地面以上為32層，地下設一層地下室。32層以上為電梯機房層和水箱層?；A形式為筏板基礎。

本結構建筑安全等級為二級；抗震設防烈度為6度，抗震設防類別為丙類；場地類別為II類。結構形式為剪力墻結構?；撅L壓為0.40 kN/m2。

標準層結構平面布置圖6。

圖6 標準層結構平面布置圖

本算例采用中國建筑科學研究院SATWE軟件進行分析計算，分別計算以基礎頂面和地下室頂板為固定端兩種情況。筆者建立了2個模型：

模型一：地下室頂板為嵌固點，嵌固點以上獨立分析；

模型二：高層結構帶一層地下室，嵌固點為地下室底板。

2.2 SATWE計算結果（如表2）

表2 有無地下室SATWE計算結果比較

有無地下室情況下結構的側移剛度表3所示，由于數(shù)據(jù)較多，本文僅列出了上、中、下三個典型部位的側移剛度進行比較。

表3 有無地下室情況下結構側移剛度對比表

根據(jù)以上分析可得，如果按模型二計算，結構計算高度增加，如果不考慮土體對地下室的相對作用，則計算結果和實際情況會有所偏差，計算出的結構自振周期比實際的長，結構的內(nèi)力也比實際情況有所增大。采用模型一計算，結構的計算高度和風荷載計算與實際情況比較相似，但是因為把地下室考慮成剛度無限大，在實際工程受力中，特別是彎曲型結構受力中，地下室特別是多層地下室，結構彎曲可以通過地下室構件進行有效的傳遞，故此種情況與實際受力也不完全一致。按此種情況計算的結構受力，可能比實際情況的小，造成結構不安全。

但是，總體來說，模型一與模型二的計算結果對于該工程的計算結果影響較小，主要原因是該工程為剪力墻結構，剪力墻結構為彎曲型變形，上部抗側力結構的地震剪力主要通過地下室墻體直接來承擔和傳遞，這時地下室頂板的分散和傳遞作用很小，甚至可以不考慮。即地下室頂板厚度對于地下室的嵌固影響較小[8]。

故對于彎曲型高層結構，嵌固點的選擇應主要加強下部剪力墻的配筋和構造，同時地下室應為全地下室，對結構底盤形成有效的嵌固，這樣才能保證地震力及其他水平力的有效傳遞，使嵌固層塑性鉸出現(xiàn)在概念設計對應的位置。

3 結論

針對我國現(xiàn)行規(guī)范對帶地下室高層建筑結構嵌固端的相關規(guī)定，本文分別以剪切型高層和彎曲型結構高層為例，分別運用了動力分析和算例分析的方法，對《抗震規(guī)范》和《高規(guī)》的相關規(guī)定的合理性和不足之處進行了相應的分析和研究，得出了以下幾點結論：

（1）對于剪切型高層結構，當?shù)叵率医Y構的樓層側向剛度大于相鄰上部樓層側向剛度的2倍時，可以將地下室頂板作為上部結構的嵌固端；

（2）對于彎曲型高層結構，地下室頂板厚度對結構嵌固影響較小，應加強嵌固點下部的剪力墻配筋及構造。

當然，除了以上幾點結論以外，本文還有一些值得深入研究的地方，如本文未對彎剪型結構嵌固端的選擇進行相關分析，以及對大底盤地下室側向剛度計算范圍進行分析等，在后續(xù)工作中應對此進行相應的分析及補充。

[1]張朝云.帶地下室高層建筑結構嵌固端的選擇及相關問題研究[C].重慶：重慶大學碩士論文，2008，4.

[2]住房和城鄉(xiāng)建設部.JGJ3—2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3]住房和城鄉(xiāng)建設部.GB50011—2010建筑結構抗震規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4]上海市城鄉(xiāng)建設和交通委員會.DGJ08-9-2013建筑抗震設計規(guī)程：上海市工程建設規(guī)范[S].上海市建筑建材業(yè)市場管理總站，2013.

[5]趙兵，陳萱.SATWE軟件如何計算剛度比[J].建筑結構，2005，35(12)：79-82.

[6]程志輝，張俊勝.帶地下室高層結構的動力計算模型[J].華南理工大學學報：自然科學版，2005，33(6)：89-93.

[7]李桂青.抗震結構計算理論和方法[M].北京:地震出版社,1985：44-68．

[8]潘近樂.設計中高層帶地下室結構嵌固端的合理選取[J].中國建筑金屬結構， 2013（04）.

Reseach on The Position of Fixity of TallBuilding Structures with Basements

Necessary requirements to definition of the fixity of tall Building in the Code for seismic design of buildings and Technical specification for concrete structuresof tall building,it takes theway of analysing dynam ic calculatingmodelsand typicalstructure example to compare in several aspects such as dynamic character,deformation character and stress character,as to obtain the conditions for taking the top-floor of basementas the fixed of the tallbuilding.

tallbuilding;shear;bending;position of fixity;rigidity

TU31

A

1671-9107（2014）05-0054-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.05.054

2013-11-26

張朝云（1981-），男，重慶人，研究生，工程師，主要從事鋼筋混凝土結構的設計研究。

孫蘇，李紅