任毅

(蘭州有色冶金設(shè)計研究院有限公司 甘肅蘭州 730000)

1 基礎(chǔ)理論及背景分析

1.1 嵌固結(jié)構(gòu)及計算重點

首先從理論角度上來講，高層建筑的嵌固結(jié)構(gòu)主要指的是以提升支座穩(wěn)定性為目的構(gòu)建的主要受力結(jié)構(gòu)。在主體結(jié)構(gòu)承受外力影響時，嵌固結(jié)構(gòu)不允許出現(xiàn)任何變形，其中涵蓋轉(zhuǎn)角形變以及位移形變，要為整體工程提供安全保障。而在地震作用力的影響下，要求高層建筑的嵌固結(jié)構(gòu)在小震中不損壞、在中等地震中可以進(jìn)行修復(fù)，這是評價嵌固結(jié)構(gòu)是否符合要求的核心標(biāo)準(zhǔn)。但是在罕遇地震的影響下，嵌固端的頂面柱腳或者墻腳可能會出現(xiàn)變形情況，這種變形并不會立即導(dǎo)致結(jié)構(gòu)被破壞，還可以承受一定的負(fù)載力。當(dāng)前的主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是全面提升嵌固結(jié)構(gòu)的塑性變形能力，能夠在罕遇地震影響下，不出現(xiàn)嚴(yán)重的損壞以及倒塌。

而從當(dāng)前絕大部分高層建筑嵌固設(shè)計的層面上來講，隨著城市地下空間利用效率的逐步增加，地下室已經(jīng)成為高層建筑附帶的主要結(jié)構(gòu)。而和地上結(jié)構(gòu)相比，地下室在地震影響下受到的損傷較輕，但是地下室的頂板需要作為整體建筑工程的嵌固核心結(jié)構(gòu)。因此在實際分析的過程中，可以將地下室結(jié)構(gòu)所承受的變形和受力情況排除在外，僅針對地下室上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震計算分析，這樣可以進(jìn)一步提升高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率和質(zhì)量，簡化原有的設(shè)計流程，在當(dāng)前絕大部分高層建筑施工中都有應(yīng)用。

1.2 國內(nèi)外研究成果分析

由于嵌固結(jié)構(gòu)對于高層建筑本身的抗震設(shè)計有著極為重要的影響，因此國內(nèi)外學(xué)者針對該位置進(jìn)行了全方位的分析，有學(xué)者認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)和地下室結(jié)構(gòu)的相互作用能夠成為嵌固結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要依據(jù)，并且給出了在水平地震作用下，地下室結(jié)構(gòu)基于底部剪力法的計算方法。

隨著我國城市化發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，地上以及地下同時開發(fā)已經(jīng)成為了部分工程的主要方法，這種方式追求大面積多層地下室，那么在確定嵌固位置的過程中便遇到了較多難題。首先，是否將地下室頂板或者基礎(chǔ)底板作為嵌固部位，都未能結(jié)合地下室四周的土壤結(jié)構(gòu)水平剛度以及豎向的剛度進(jìn)行分析；其次，在不同的嵌固條件影響下高層建筑自身的結(jié)構(gòu)受力會出現(xiàn)變化；最后，在臨近塔樓地下室設(shè)置大型洞口或者下沉廣場，這導(dǎo)致局部區(qū)域?qū)λ堑募s束能力逐步下降，因此也無法實現(xiàn)較為精準(zhǔn)的性能評估。

針對以上這些問題，該文著重分析附帶地下室的高層建筑，綜合地下室四周的主體對建筑本身產(chǎn)生的實際影響進(jìn)行探究，建立在地下室結(jié)構(gòu)和周邊土體相互作用的層面上分析對上層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用。并且結(jié)合地下室頂板、周邊、底板、土體結(jié)構(gòu)相互作用這4 個層面進(jìn)行受力性能的影響分析[1-3]。

2 基礎(chǔ)計算模型

高層建筑在地震以及風(fēng)荷載的影響下，會發(fā)生顯著的側(cè)向變形情況，而水平剪力以及傾覆力矩又會導(dǎo)致地基結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的變化，其中受到周邊土壤結(jié)構(gòu)的約束，地下室結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較大。有學(xué)者結(jié)合具體的嵌固模型進(jìn)行了分析，了解不同類型建筑的實際特點，并且分析在地震影響下建筑的力學(xué)變化情況。認(rèn)為建筑基底嵌固邊界的條件還過于保守，未能及時進(jìn)行創(chuàng)新，也就導(dǎo)致當(dāng)前絕大部分新型高層建筑的整體穩(wěn)定性存在一系列的問題。因此在后續(xù)分析的過程中，需要將重點轉(zhuǎn)移到塔樓模擬、地下室結(jié)構(gòu)模擬以及地基基礎(chǔ)相互作用模擬的層面上，同時也要考慮在不同程度地震發(fā)生期間，對建筑物產(chǎn)生的影響進(jìn)行受力特點的定位，可以通過阻尼器和彈簧了解土體介質(zhì)，并且分析和其他建筑結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的力學(xué)作用。

2.1 計算模型

2.1.1 基礎(chǔ)假定

考慮土體作用和地下室結(jié)構(gòu)之間的影響，并且分析和上層塔樓結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，可以設(shè)置以下假定。

首先，地下室周邊的土體等效為并聯(lián)的水平非線性彈簧與阻尼器；基礎(chǔ)和土體等效為并聯(lián)的豎向非線性彈簧與阻尼器。其次，要分析地下室結(jié)構(gòu)和塔樓結(jié)構(gòu)的剛度以及綜合質(zhì)量。再次，要了解地下室底部的水平方向地震激勵情況。最后，以以上的假設(shè)方案為依托進(jìn)行結(jié)構(gòu)的布置。

2.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)置以及參數(shù)

假設(shè)抗震的設(shè)防烈度為7 度，基本地震動加速度值為0.1 g，設(shè)置地震分組為第二組，整體建筑工程的場地類別設(shè)置為三類，地震的場地特征周期為0.55 s，地面的粗糙度類別為C類。那么結(jié)合附帶地下室的高層建筑結(jié)構(gòu)平面圖進(jìn)行分析，塔樓位于建筑平面的中央位置，地下室為正方形結(jié)構(gòu)，外輪廓邊長為92.4 m。共三層地下室結(jié)構(gòu)每層之間的高度為4 m，塔樓的邊長為42 m，框架柱的間距為8.4 m。其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 模擬結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)

2.1.3 分析模型的相關(guān)參數(shù)

為了進(jìn)一步考察嵌固條件與地下室周邊土體以及地基之間的關(guān)系，要合理地挑選計算模型。該次研究主要采取4種計算模型進(jìn)行分析。

模型1 主要的設(shè)定條件為：上部結(jié)構(gòu)嵌固在地下室的頂板上，不考慮地下室產(chǎn)生的影響。

模型2 的主要設(shè)定條件為：上部結(jié)構(gòu)和地下室本身結(jié)構(gòu)都嵌固在基礎(chǔ)底板上，地下室的頂板位置水平位移設(shè)置為0，施加水平約束的同時分析各樓層的變形情況。

模型3 的設(shè)定條件為：上層結(jié)構(gòu)和地下室都嵌固在基礎(chǔ)底板上，但是不考慮地下室周圍土體對地下室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的約束作用。

模型4 的設(shè)定條件為：地下室周圍土體簡化成水平彈簧與阻尼，并且將樁基礎(chǔ)和土體簡化成豎向彈簧和阻尼，考慮基礎(chǔ)有限剛度和地下室周邊的土壤結(jié)構(gòu)對建筑產(chǎn)生的約束作用。由于建筑地下室的底板存在較大的水平摩擦力，因此不考慮底板和主體之間發(fā)生水平滑移的可能性。其中，由于模型4 涉及地下室結(jié)構(gòu)和周圍土體的相互作用力，而地下室結(jié)構(gòu)的逐步加深會導(dǎo)致剪切波速有一定的變化，該文案例中的建筑地下室為三層結(jié)構(gòu)，綜合三層結(jié)構(gòu)不同的剪切波速，分別定為150、250、400，由此在模型4 上延伸出3 種不同的剪切波速模型[4-6]。

2.2 嵌固條件的影響分析

2.2.1 結(jié)構(gòu)動力特性和地震波

為了進(jìn)一步詳細(xì)分析嵌固條件對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，需要結(jié)合以上4種模型進(jìn)行針對性分析，主要的分析環(huán)境為受到地震影響下的時程響應(yīng)。該文通過模擬實驗，將其前三階的自振周期進(jìn)行統(tǒng)計并且歸結(jié)。具體情況如圖1所示。

圖1 計算模型的自振周期檢測結(jié)果

為了進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)分析的可行性，了解在地震影響下的各項變動要素差異，該次實驗又額外選擇7條水平方向的人工波作為檢測要素。綜合檢測結(jié)果來看，模型1 的自振周期最短，模型3 的自振周期有著略微增大的趨勢，但是和模型2 極為接近，模型4 前兩階的平動自振周期增長，但是扭轉(zhuǎn)自振周期的變化并不明顯。

2.2.2 水平剪力

在以上7 個不同的地震波的影響下，了解高層建筑的重力荷載以及第一層建筑結(jié)構(gòu)的剪重比，統(tǒng)計結(jié)果具體如圖2所示。

圖2 地震作用影響下的塔樓首層剪重比

結(jié)合其數(shù)值分化情況來看，在高寬比例為2.0 時，模型1以及模型3的數(shù)值較為接近，其中模型3的剪力值最大。模型4 的首層剪力小于模型1 以及模型3 平均值的13.5%。而隨著地下室周邊土壤結(jié)構(gòu)剪切波速的逐步加大，首層的剪力值也會有略微提升的情況，另外在塔樓的高寬比增大時，剪重比會顯著減小。其中模型4 的首層水平剪力和計算模型1 以及模型3 的水平剪力較為接近。

因此從實際情況上來看，要考慮周邊土壤結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的作用力，同時分析模型4 的具體動力特性變化情況。綜合其結(jié)果來看，建筑結(jié)構(gòu)的水平簡歷在第1 層結(jié)構(gòu)中達(dá)到最高，這和其他幾種模型有著本質(zhì)上的差異，因此剪切波速對于塔樓的水平剪力影響可以被忽略。另外從高度的層面來講，若周邊土體的彈簧和阻尼約束對地下室結(jié)構(gòu)造成影響后，高寬比的數(shù)值為2的情況下，在模型4中地下室整體結(jié)構(gòu)的水平剪力會有所下降。剪力波速會隨著地震的變化逐步增強(qiáng)，地下室結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)會受到較為明顯的約束力，在這樣的條件下地下室一層的水平剪力也會降低。但是在運動反方向角度來看，地下室的下部受到了上部結(jié)構(gòu)杠桿作用產(chǎn)生的撬力影響，地下室2 層以及以下樓層的水平剪力會逐步增加，尤其是在高寬比逐步加大的條件下，這種現(xiàn)象會更為明顯。

2.2.3 層間位移角

分析在7 條不同水平地震波的影響下，高寬比為2、4、6的條件下呈現(xiàn)位移角的實際分布情況。從結(jié)果層面來講，在高寬比數(shù)值為2 時，模型1 中的層間位移角達(dá)到了1/1892，在4種模型中屬于最小的數(shù)值；模型2的水平位移角達(dá)到了1/1853，而地下室的層間位移角則沒有變化，始終為0；模型3 的最大層間位移角達(dá)到了1/1771，比模型2略微升高，而地下一層的最大層間位移角達(dá)到了1/16548，雖然側(cè)向變形數(shù)值較小，但是已經(jīng)突破零的界限。模型4的最大層間位移角達(dá)到了1/1675，顯著高于模型1 以及模型3，而地下室的最大層間位移角也達(dá)到了1/15419。這也代表著隨著土體剪切波速的逐步增大，結(jié)構(gòu)之間的位移角會有降低的趨勢，而在塔樓的高寬比為4 和6 時，其水平位移角的變化規(guī)律和上述結(jié)果相似。

2.2.4 建筑的構(gòu)件內(nèi)力分析

嵌固位置的選擇以及受力情況還需要結(jié)合構(gòu)件的綜合質(zhì)量以及不同應(yīng)力影響下的實際情況進(jìn)行針對性探討。其中可以從以下兩個層面進(jìn)行分析。

（1）核心筒墻肢剪力。在7條地震波的影響下，塔樓的核心筒墻肢水平剪力有一段的相似性，4 種模型的地上結(jié)構(gòu)水平剪力上小下大，而在第2 層時數(shù)值最高，首層受到室外的主體約束作用水平剪力有所下降，但是在地下一層數(shù)值又達(dá)到了最大值，地下2 層以下的其他樓層水平剪力隨之減少。這也代表了土體剪切波速，對于結(jié)構(gòu)核心筒墻體的內(nèi)力會產(chǎn)生部分影響，而隨著剪切波速的逐步加大，墻肢剪力也會增加。

（2）框架柱剪力。在7條地震波的影響下，塔樓框架柱的實際剪力情況存在一定的波動性，首先在模型1、模型2、模型3中框架柱水平剪力在樓體結(jié)構(gòu)2層以上變化的趨勢較為平穩(wěn)，但是在首層結(jié)構(gòu)數(shù)值為最大峰值。而地下室的范圍內(nèi)模型2 以及模型3 的框架柱剪力先呈現(xiàn)急速下降的趨勢，然后又快速增大；模型4的框架柱數(shù)值在塔樓下部水平剪力略小于模型1以及模型3，而塔樓上部的水平剪切力大于其他模型。

結(jié)果表明受到周邊主體的約束作用影響，地下室高度范圍內(nèi)，框架柱的剪力存在急劇的變化狀態(tài)，而水平剪力的峰值遠(yuǎn)高于地上的其他結(jié)構(gòu)。

（3）外墻彈簧反力。針對外墻的實際彈簧反力情況進(jìn)行分析，將其結(jié)果統(tǒng)計如圖3所示。

圖3 地下室外墻的水平反力變化分布

綜合其中的波動情況來看，地下室頂板位置的彈簧反力最大，而隨著樓層深度的不斷增加，該數(shù)值也會逐步減?。浑S著土體介質(zhì)剪切波速的不斷升高，彈簧水平反力也會隨之增加；另外上部建筑結(jié)構(gòu)的高度越大，那么水平反力也會相對加大。

3 結(jié)語

綜上所述，主體結(jié)構(gòu)相互作用的模型能夠真實地反映高層建筑施工期間和周邊土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的剛度以及阻尼，綜合自振周期以及地震作用，能夠發(fā)現(xiàn)隨著土體剪切波速的逐步提升，結(jié)構(gòu)的運動方向會受到更強(qiáng)的約束，而地下室的水平剪力會顯著減小；而在地震作用的影響下，地下室頂板的彈簧反力最大，樓層深度越深，則彈簧反力越小。因此，可以結(jié)合實際情況，合理地選擇高層建筑的結(jié)構(gòu)嵌固位置，可以綜合樓層高度、地下室結(jié)構(gòu)深度、周邊土體約束力等各項變量進(jìn)行分析，通過前期的模擬試驗來掌握嵌固結(jié)構(gòu)以及實際性能，這樣可以為整體高層建筑的安全發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。