高層結(jié)構(gòu)嵌固端的選擇與抗震性能分析

常麗華

1 概述

高層建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞機(jī)理十分復(fù)雜，建筑物質(zhì)量分布變化，結(jié)構(gòu)剛度計算的局限性，邊界條件假定的正確程度對其振動效應(yīng)都有一定影響。因此，關(guān)于高層結(jié)構(gòu)的安全性能等也提出了更多的要求。高層建筑往往帶有地下室，有些甚至帶幾層地下室。從建筑功能來說，可利用地下室作為地下停車庫、設(shè)備用房等;從結(jié)構(gòu)功能來說，設(shè)置了地下室可以增加基礎(chǔ)埋深，對于增加結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和提高抗傾覆性能是有利的。因此，帶地下室高層結(jié)構(gòu)嵌固端的選取至關(guān)重要。

GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2008年版)(以下簡稱“抗規(guī)”)第6.1.14條、JGJ 3-2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(以下簡稱“高規(guī)”)第 5.3.7條都規(guī)定，當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時，地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的2倍。

結(jié)構(gòu)計算中，嵌固端的選擇是伴隨著高層建筑的出現(xiàn)而產(chǎn)生的。國內(nèi)外已有一些研究，并積累和總結(jié)了一定的經(jīng)驗，尤其是在采用箱形基礎(chǔ)的高層建筑方面。由于箱形基礎(chǔ)的剛度較之地上1層的剛度偏大不少，嵌固端通常選擇在箱形基礎(chǔ)的頂面(一般為±0.000左右的位置)，這樣上部結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果較為合理。但對于采用筏板基礎(chǔ)的高層建筑，嵌固端的選擇卻不盡人意。早期的設(shè)計計算中，通常將嵌固端選在筏板頂面，后來則選在自然地面標(biāo)高位置。上述兩種選取方法都乏善可陳:將嵌固端選在筏板的頂面，即采用地下室和上部結(jié)構(gòu)一次計算的方法，若不對計算程序或參數(shù)進(jìn)行修改，其結(jié)果與實際情況會有較大誤差;將嵌固端選在室外地坪，其假定就是采用筏板基礎(chǔ)的地下室剛度無限大(相對于地上首層)，即假定結(jié)構(gòu)在此位置上水平位移、豎向位移及轉(zhuǎn)角為零，而這與實際情況也并不相符。

下面通過一個工程算例來分析帶地下室且為筏板基礎(chǔ)高層建筑嵌固端的選擇。

2 工程算例

2.1 基本數(shù)據(jù)

本工程項目為廣西某地的住宅樓。該單體地面以上32層，設(shè)1層地下室，32層以上為機(jī)房層和水箱層，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)。建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級;地下室防水等級為二級;抗震設(shè)防烈度為6度，抗震設(shè)防類別為丙類，場地類別為Ⅱ類;結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)。基本風(fēng)壓為0.40 kN/m2。

地下1層～第4層剪力墻混凝土等級為C50，梁板混凝土等級為C40，5層剪力墻混凝土等級為C45，6層～10層混凝土強(qiáng)度等級為C40，其他各層剪力墻混凝土強(qiáng)度等級為C30，其他各層梁板的混凝土強(qiáng)度等級為C25。

2.2 計算方法

采用中國建筑科學(xué)研究院SATWE軟件進(jìn)行分析計算，分別以地下室頂板和筏板基礎(chǔ)頂面為嵌固端，建立了兩個模型，見圖1。

2.3 SATWE計算結(jié)果

SATWE計算結(jié)果見表1。

表1 兩模型SATWE計算結(jié)果比較

從表1計算結(jié)果可知，當(dāng)取地下室為計算模型底層時，計算高度增加使得風(fēng)載比實際情況有所加大，而又沒有考慮地下土體對地下室的側(cè)面嵌固作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的位移增大，結(jié)構(gòu)的自振周期偏長的計算結(jié)果，同時結(jié)構(gòu)構(gòu)件柱和剪力墻的內(nèi)力都有所增大;取建筑1層作為計算模型底層時，結(jié)構(gòu)的計算高度為地面以上實際高度，因而風(fēng)荷載與實際情況較符合，但由于將地下室近似于剛度無限大，相當(dāng)于水平位移和豎向位移均被完全嵌固，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度有所增加，從而與實際情況有所差異，其計算結(jié)果表現(xiàn)為位移偏小，周期偏短的特征，由于地下室結(jié)構(gòu)的位移被忽略，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力也有所減小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全性有所下降。

然而，兩種情況計算結(jié)果對于本工程算例的計算結(jié)果影響較小，主要原因是剪力墻結(jié)構(gòu)為彎曲型變形，上部抗側(cè)力構(gòu)件的地震剪力主要通過地下室墻體直接來承擔(dān)和傳遞，這時地下室頂板的分散和傳遞作用較小，即地下室頂板厚度對于地下室頂板嵌固沒有顯著的影響。

3 地下室抗震設(shè)計

常規(guī)房屋結(jié)構(gòu)抗震計算一般采用剛性地基模型，將地面振動激勵作為結(jié)構(gòu)底部嵌固支座的擾動，這種模型對于沒有地下室的多層結(jié)構(gòu)而言是比較合適的。高層建筑往往帶有地下室，由于地基和結(jié)構(gòu)的相互作用，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)與剛性地基模型的假定有所不同。由地下室質(zhì)量引起的地震作用主要被室外的回填土吸收，只有一小部分由地下室本身的構(gòu)件承擔(dān)。

根據(jù)“抗規(guī)”第6.1.3條，當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固部位時，地下1層的抗震等級應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)相同，地下1層以下的抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或更低等級，地下室中無上部結(jié)構(gòu)的部分，可根據(jù)具體情況采用三級或更低等級。

4 結(jié)論和建議

本文通過對有無地下室結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析研究，確定了帶地下室情況高層結(jié)構(gòu)的嵌固端選取的合理位置?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論和建議:

1)當(dāng)高層建筑僅設(shè)單層地下室且底板采用筏板基礎(chǔ)時，通常選擇基礎(chǔ)底板而非首層作為結(jié)構(gòu)嵌固端，這有利于充分利用其基礎(chǔ)的“無限”剛度，為首層樓面的靈活結(jié)構(gòu)選型創(chuàng)造條件，即使是首層樓面留有大孔洞，或選用無梁樓蓋結(jié)構(gòu)，都不影響結(jié)構(gòu)計算的準(zhǔn)確性。

2)“抗規(guī)”6.1.14規(guī)定:地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位時應(yīng)避免在地下室頂板開設(shè)大洞口，并應(yīng)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(qiáng)度等級不宜小于C30。鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)上部抗側(cè)力構(gòu)件的地震剪力主要通過地下室墻體直接來承擔(dān)和傳遞，地下室頂板的分散和傳遞作用較小，頂板的厚度主要由其所承受的豎向荷載控制，建議可適當(dāng)放寬限制，根據(jù)工程實際情況選取地下室頂板厚度。

3)本文未涉及對于帶多層地下室的高層建筑，擬在今后做進(jìn)一步研究分析。

[1] GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2008年版)[S].

[2] JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 董文旭.高層建筑嵌固端的確定探討[J].建筑設(shè)計，2005(3):16-17.

[4] 李云貴.上部結(jié)構(gòu)與地下室共同工作分析及地下室設(shè)計在SATWE中的實現(xiàn)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2005(2):23-24.

[5] 蔡曉宏.地下室設(shè)計中的幾個問題[J].工程建設(shè)與檔案，2004(4):116-117.