成兌

摘要：建筑結(jié)構(gòu)嵌固端位置的選取是非常重要的，而工程實踐中嵌固端的選取是非常復雜的問題。建筑結(jié)構(gòu)的嵌固端，是結(jié)構(gòu)計算模型中的一個重要假定，它不僅關系到結(jié)構(gòu)中構(gòu)件內(nèi)力分配的準確性，而且還影響結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)移的真實性，以及結(jié)構(gòu)局部的經(jīng)濟性。本文探討了多高層建筑上部結(jié)構(gòu)嵌固端的選取和設計，以求達到安全、經(jīng)濟的設計目標，并供設計同行參考。

關鍵詞：地下室；上部結(jié)構(gòu)；嵌固部位；相關范圍

一、嵌固端的定義

作為上部建筑結(jié)構(gòu)的嵌固部位，理論上應具備以下兩個條件：（1）該部位的水平位移為零；（2）該部位的水平轉(zhuǎn)角為零。其工作機理是：嵌固端節(jié)點下的梁柱（板）構(gòu)件是不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的，嵌固端樓層平面內(nèi)更不允許產(chǎn)生水平位移，地震作用下結(jié)構(gòu)的屈服部位應發(fā)生在嵌固端之上樓層。

二、嵌固端的選取

對多高層混凝土結(jié)構(gòu)的嵌固端的選取是比較復雜的，從實際工程上看，上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位是一個區(qū)域，而不是一個平面，只存在相對的嵌固，而沒有絕對的嵌固。

多高層建筑不設置地下室時，上部結(jié)構(gòu)通常以基礎頂面作為嵌固端，此時的嵌固端即是結(jié)構(gòu)的計算嵌固端也是抗震嵌固端。多高層建筑當設置地下室時，上部結(jié)構(gòu)的計算嵌固端是選取在地下一層頂板部位還是選取在地下其他層頂板部位，或者選取在基礎頂面，應由地下室結(jié)構(gòu)相關范圍內(nèi)的樓層側(cè)向剛度與相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層的側(cè)向剛度比、樓板開洞情況等條件確定。對于抗震嵌固端，根據(jù)資料和經(jīng)驗顯示，設置地下室對結(jié)構(gòu)抗震是有利的，上部結(jié)構(gòu)大部分的地震水平剪力通過地下室各層樓板的水平傳遞，由地下室外墻的土壓力平衡，使地下室中的結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件（框架柱、剪力墻）承擔的水平地震剪力往地下逐層減少，同時，地下室擋土墻外側(cè)的回填土對地下室結(jié)構(gòu)的約束作用是相當大的，一般情況下可按地下室結(jié)構(gòu)自身剛度的3～5倍近似考慮。因此，地下室頂板處對上部結(jié)構(gòu)的嵌固作用是客觀存在的，無論地下室頂板是否作為結(jié)構(gòu)的計算嵌固端，地下室頂板都是結(jié)構(gòu)的抗震嵌固端。計算嵌固端的選取只是人為對計算模型簡化的一種處理方式，而實際地下室頂板作為結(jié)構(gòu)的抗震嵌固端是不會因為人為計算的某種假定而改變的，因此，我們認為：對具有多層地下室的多結(jié)構(gòu)以地下室頂板作為抗震嵌固端或計算嵌固端，這種處理方案是比較經(jīng)濟的。

三、地下室頂板作為嵌固端應滿足的相關條件

當?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時，為避免塑性鉸轉(zhuǎn)移到地下一層結(jié)構(gòu)，保證上部結(jié)構(gòu)在地震作用下能實現(xiàn)預期的耗能機制，根據(jù)《高規(guī)》第5.3.7條規(guī)定：“高層建筑結(jié)構(gòu)整體計算中，地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位時，地下一層與首層側(cè)向剛度比不宜小于2”，其條文說明中對側(cè)向剛度做了說明 ，“計算地下室結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度時，可考慮地上結(jié)構(gòu)以外的地下室相關部位的結(jié)構(gòu)，‘相關部位一般指地上結(jié)構(gòu)外不大于20米且超過三跨的地下室范圍。樓層側(cè)向剛度比可按本規(guī)程附錄E.0.1條公式計算”。

需值得一提的是，根據(jù)《地基規(guī)范》第8.4.25條對地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位還應滿足，“當?shù)叵率覂?nèi)、外墻與主體結(jié)構(gòu)墻體之間的距離符合表8.4.25要求時，該范圍內(nèi)的地下室內(nèi)、外墻可計入地下一層的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，但此范圍內(nèi)的側(cè)向剛度不能重疊使用于相鄰建筑。當不符合上述要求時，建筑物的嵌固部位可設在筏形基礎的頂面，此時宜考慮基側(cè)土和基底土對地下室的抗力”。該條中地下室內(nèi)外墻與主樓剪力墻的距離要求可以理解為地下室上部結(jié)構(gòu)的相關范圍，可將該范圍的地下室內(nèi)外墻的剛度計入地下室層間側(cè)向剛度內(nèi)，但范圍內(nèi)的側(cè)向剛度不能重疊使用于相鄰的建筑。

地下頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端時，為使地下室頂板具有足夠的平面內(nèi)和平面外的剛度，限制構(gòu)件在兩個水平方向的平動位移和轉(zhuǎn)角位移，并有效的將上部結(jié)構(gòu)的水平地震剪力全部傳給地下室結(jié)構(gòu)，《抗規(guī)》第6.1.14條，從樓板開洞、樓蓋混凝土強度等級、樓蓋結(jié)構(gòu)形式、樓板厚度、樓板配筋等全方位作了較為詳細的規(guī)定：“地下室頂板應避免開設大洞口；地下室在地上結(jié)構(gòu)相關范圍的頂板應采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，相關范圍以外的地下室頂板宜采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)；其樓板厚度不宜小于180 mm，混凝土強度等級不宜小于C30，應采用雙層雙向配筋，且每層每個方向的配筋率不宜小于0.25%”?？紤]框架柱在一層的下柱端出現(xiàn)塑性鉸而不是梁柱節(jié)點兩側(cè)的梁出現(xiàn)塑性鉸，通常采用提高地下室頂板梁受彎承載力且增大地下室柱頂?shù)某休d力的方法來考慮柱底的嵌固?！犊挂?guī)》第6.1.14條還規(guī)定：地下一層柱截面每側(cè)的縱向鋼筋面積除應符合計算要求以外，不應小于地上一層對應柱每側(cè)縱向鋼筋面積的1.1倍（地下室柱子多出的縱向鋼筋不應向上延伸，應錨固于地下室頂板的框架梁內(nèi)），且地下一層柱上端和節(jié)點左右兩端實配的抗震承載力之和應大于地上一層柱下端實配的抗震受彎承載力的1.3倍。地下一層抗震墻墻肢端部邊緣構(gòu)件縱向鋼筋的截面面積，不應少于地上一層對應墻肢端部邊緣構(gòu)件縱向鋼筋的面積。

四、地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端的處理

地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位時，為滿足嵌固剛度比的要求，通常在上部結(jié)構(gòu)及地下室上部結(jié)構(gòu)相關范圍內(nèi)增大豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面剛度，或增設一定數(shù)量的補償剪力墻。增設的補償剪力墻應結(jié)合地下室周邊擋土墻均勻布置，使上部結(jié)構(gòu)相關范圍內(nèi)地下室結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量中心與上部結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量中心基本重合，減小因偏心產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。

地下室頂板室外區(qū)域因場地綠化覆土或市政管線要求降低標高，導致地下室頂板不連續(xù)，不能有效的傳遞水平地震剪力，此時，地下室頂板不能成為有效的上部結(jié)構(gòu)嵌固部位，為滿足地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位可采取以下措施：

當室內(nèi)外高差不大于地下一層層高的1/3且小于1.0m時，對高低跨位置的梁采取加寬截面、增大箍筋直徑、間距加密、樓板加腋等加強措施時（圖1所示），可認為樓板連續(xù)，滿足嵌固端對樓板的要求。

（1）當室內(nèi)外高差大于地下一層層高的1/3且大于1.0m，但不大于2m時，可采用降低主樓內(nèi)地面標高（增加主樓首層層高，室內(nèi)采用回填輕質(zhì)材料至建筑標高），使室內(nèi)外高差滿足不大于地下一層層高的1/3且小于1.0m。由于該做法增加了首層層高，上部結(jié)構(gòu)的計算高度有所增加，對結(jié)構(gòu)計算影響較大，且不經(jīng)濟，一般情況下不建議采用。實際工程中多采用加強高低跨位置處梁的同時，在高低跨位置處垂直于擋土墻的方向上，在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)加腋和主體結(jié)構(gòu)外加肋，并在肋上設連續(xù)斜板等措施（圖2所示），采取措施后可認為樓板連續(xù)，滿足嵌固端對樓板的要求。

（2）當室內(nèi)外高差大于2m時，可采用設置一層架空層，將嵌固部位設置在地下室大底盤頂板上，使地下一層與架空層的側(cè)向剛度比大于2。值得注意的是，由于地下室頂板室外覆土較高，為減小覆土對主體結(jié)構(gòu)的約束作用帶來的影響，可在上部結(jié)構(gòu)以外單獨設置擋土墻（圖3所示），使之與主體結(jié)構(gòu)脫開，這樣處理后結(jié)構(gòu)加強部位更為明確，計算也相對簡單明了。

對于多層地下室，當?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時，除地下一層與首層側(cè)向剛度比滿足規(guī)范要求外，還應滿足地下二層相關范圍內(nèi)的側(cè)向剛度與地下一層側(cè)向剛度的比值不宜小于1.0，不滿足時，地下二層、三層相關范圍也應增大其豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面剛度，或增設補償剪力墻等技術措施。

五、地下室頂板不能作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端的處理

在實際工程中，由于地下室頂板室內(nèi)外高差較大、地下室頂板存在大開洞、地下一層建筑使用功能的要求等，在負一層內(nèi)不能布置補償剪力墻，也不能增大其豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面剛度，地下室頂板作為結(jié)構(gòu)嵌固端的剛度比不能滿足要求時，對于多層地下室，可將結(jié)構(gòu)的計算嵌固部位設置在地下一層底板或基礎頂面，此時地下室頂板和地下一層樓板除宜同時執(zhí)行抗震嵌固端的相關要求外，還應滿足下列條件：

（1）地下一層樓層的側(cè)向剛度比應大于地上一層的側(cè)向剛度；

（2） 地下二層樓層的側(cè)向剛度應大于地下一層的側(cè)向剛度，并且大于地上一層的側(cè)向剛度的2倍。

隨著現(xiàn)代計算機技術的飛速發(fā)展，上部結(jié)構(gòu)計算帶入地下室與不帶入地下室對計算分析工作量影響不大。因此，工程設計中在計算上部結(jié)構(gòu)時，無論嵌固剛度比是否大于2，均應帶入地下室相關模型，這樣計算結(jié)果也是最為合理的，最符合實際情況的。但對于大型復雜綜合體高層混凝土結(jié)構(gòu)的嵌固端是極其復雜的，通常應采用不同的計算模型進行包絡設計。

六、結(jié)束語

本文探討了多高層建筑上部結(jié)構(gòu)嵌固端的選取和設計。對上部結(jié)構(gòu)嵌固部位提出了計算嵌固端和抗震嵌固端的概念，同時，還對地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端存在的問題提出了相應的處理措施，對地下室頂板不能作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端情況也提出了處理方法，以供設計同行參考。

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