王延該

關(guān)于多層框架結(jié)構(gòu)嵌固端位置選取對結(jié)構(gòu)計算的影響

王延該

一、引言

在有地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，地下室的頂板是否做為上部結(jié)構(gòu)的嵌固是很重要的。這不僅僅關(guān)系到計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力大小，而且在某些工程中會讓整體結(jié)構(gòu)成為一個超限建筑。現(xiàn)行規(guī)范對嵌固端的規(guī)定并沒有明確的限制，而很多人的研究重心都放在高層的嵌固端位置確定。多層建筑對嵌固端位置的要求沒有高層建筑的迫切，但是改變嵌固端位置是否會有利于結(jié)構(gòu)計算，繼而節(jié)約造價，這是本文討論的中心。

嵌固端的定義：就是平常說的固定端，不允許構(gòu)件在此部位有任何位移。如果將結(jié)構(gòu)簡化為立桿則嵌固端即為剛節(jié)點。在現(xiàn)行規(guī)范中，對于嵌固端的位置并沒有詳細(xì)的規(guī)定，只是對當(dāng)嵌固端在地下室頂板時構(gòu)件加強(qiáng)做出規(guī)定。在高層建筑的嵌固端研究已經(jīng)相當(dāng)深化的同時多層框架作為常用結(jié)構(gòu)類型卻少有關(guān)注。

本文僅以純框架結(jié)構(gòu)的簡易模型計算，不考慮裙房、錯層以及局部收進(jìn)等情況，分別從地上層數(shù)變化和地下層數(shù)變化兩方面出發(fā)，通過PKPM軟件計算不同嵌固端位置來驗證其變化對結(jié)構(gòu)計算是否有利。

二、結(jié)構(gòu)計算控制項

1.抗剪承載力之比

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB5011-2010）第3.4.4條第2款第3小條規(guī)定：“樓層承載力突變時，薄弱層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應(yīng)小于相鄰上一樓層的65%?！?/p>

在簡易模型中單方面改變地下室層數(shù)而保持地上層數(shù)不變，通過調(diào)整嵌固端的位置，X（或Y）方向最小樓層抗剪承載力之比計算結(jié)果統(tǒng)計如表1：

表1 地上六層地下層數(shù)變化而嵌固端位置不同時抗剪承載力之比的變化

表1的數(shù)據(jù)可以看出，隨著地下室層數(shù)的增加，樓層最小抗剪承載力之比在不斷變小，可見地下層數(shù)的增加會使建筑的薄弱區(qū)域更加明顯，即地下層數(shù)較多不利于結(jié)構(gòu)計算；嵌固端位置的變化對抗剪承載力之比的提高并不能起到作用，只在有二層地下室的情況有較明顯的不利影響。

當(dāng)?shù)叵率覍訑?shù)為二層時，嵌固端位于地下室頂板時樓層最小抗剪承載力之比最小，即對結(jié)構(gòu)計算最不利。為了驗證這個結(jié)果是否存在普遍性，在相同荷載及抗震條件下，對地上層數(shù)不同、地下二層的建筑模型進(jìn)行計算，結(jié)果如表2：

表2 地下二層地上層數(shù)變化而嵌固端位置不同時抗剪承載力之比的變化

結(jié)果可見，對于多層框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)叵率覍訑?shù)為2層時，選取地下室頂為嵌固端，結(jié)構(gòu)計算最為不利，即最易形成薄弱層。在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第3.5.3有規(guī)定，A級高度高層建筑的樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪不宜小于其相鄰上一層受剪承載力的80%，不應(yīng)小于其相鄰上一層受剪承載力的65%?？梢妼τ诙鄬涌蚣芙Y(jié)構(gòu)，特別是有二層地下室的情況，將嵌固端置于地下室頂會造成層間抗剪承載力之比變小，可能使模型計算不滿足規(guī)范要求，繼而需要增加截面面積、增大配筋以及提高混凝土級別。

僅從樓層抗剪承載力角度考慮，多層框架結(jié)構(gòu)不宜將嵌固端置于地下室頂面。

2.自振周期

結(jié)構(gòu)自振周期直接影響結(jié)構(gòu)抗震性能。結(jié)構(gòu)越柔，結(jié)構(gòu)計算形成的剪力越小，周期越大，計算的地震力越小，分配到抗震方面的作用就相應(yīng)減少，相應(yīng)計算值就會降低從而達(dá)到減小計算量，降低建造成本。由表3可以得出在嵌固端變化時，結(jié)構(gòu)的自振周期不會變化。而隨著地下室層數(shù)的變化，第一振型的周期不斷變長（效果如前述），第三陣型的周期同樣在變大，而作為控制條件的周期比則成曲線變化，見圖1。

表3 地上六層地下層數(shù)變化而嵌固端位置不同時引起周期的相應(yīng)變化

圖示可看出地下室層數(shù)從二層地下室起，地下室的增加對周期比影響趨于平緩，因此僅考慮周期比時，有二層地下室對結(jié)構(gòu)計算最有利。這不僅有利于空間的利用也會使結(jié)構(gòu)計算相對節(jié)約。

圖1 周期與地下室層數(shù)的對應(yīng)關(guān)系

3.其他因素

（1）最大層間移角隨地下室層數(shù)的增加成下降趨勢，同時嵌固端對位移角影響不大。

（2）結(jié)構(gòu)薄弱層一般位于地上一層，與嵌固端位置無關(guān)。

三、結(jié)語

根據(jù)結(jié)構(gòu)模型的計算可以得出以下結(jié)論：

1.對于多層框架結(jié)構(gòu)建筑，隨地下室層數(shù)的增加，嵌固端位于基礎(chǔ)頂時對抗剪承載力之比的影響不計。層數(shù)不同的多層框架結(jié)構(gòu)，有二層地下室且嵌固端位于地下室頂板時，抗剪承載力之比最小。

2.隨地下室層數(shù)的增加，前三個自振周期相比較均成縮短趨勢，同時周期比也不斷減?。欢豆潭宋恢米兓挥绊懡Y(jié)構(gòu)周期。

3.最大層間位移角隨地下室層數(shù)的增加成下降趨勢，同時嵌固端對位移角影響不大。

4.結(jié)構(gòu)薄弱層一般位于地上一層，與嵌固端位置無關(guān)。

綜合可知，對于一般多層框架結(jié)構(gòu)，將地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位對結(jié)構(gòu)計算不利，不宜將地下室頂板作為作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位。

（作者單位：湖北城市建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）