高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端選取應(yīng)考慮的核心因素分析

郭 剛

（寧夏煤礦設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750011）

0 引言

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、《高層建筑箱形與筏形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》等對(duì)基礎(chǔ)埋置深度的確定和結(jié)構(gòu)嵌固端的選取做了一些規(guī)定和要求，而且眾多的工程技術(shù)人員也進(jìn)行了廣泛的探討和研究，但是由于高層建筑影響因素的不確定性、結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性和多樣化以及不同建筑物的獨(dú)一性，從而使得基礎(chǔ)埋置深度的確定和結(jié)構(gòu)嵌固端的選取仍然存在很多問題。

1 工程地質(zhì)水文條件

嵌固端的選取與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。工程地質(zhì)水文條件作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要影響因素之一必然對(duì)嵌固端的選取產(chǎn)生重要影響。工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件不同，基礎(chǔ)持力層和地下水位的高度就不同，這不僅使得基礎(chǔ)埋置深度不同，而且使得基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型不同，從而使得結(jié)構(gòu)嵌固端的選取條件和依據(jù)就不相同。

另外，工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件還使得地下結(jié)構(gòu)的側(cè)限和抗側(cè)剛度不同。側(cè)限及抗側(cè)剛度的大小決定著嵌固端的選取部位。對(duì)于特殊工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，如濕陷性黃土、鹽漬土、季節(jié)性凍土或凍土、淤泥質(zhì)土、軟土等，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，結(jié)構(gòu)嵌固端的選取要根據(jù)地基土的不同工程特性區(qū)別對(duì)待。

2 基礎(chǔ)埋置深度

對(duì)于高層建筑來(lái)講，在研究確定高層建筑的結(jié)構(gòu)嵌固端時(shí)，必然牽涉到其基礎(chǔ)埋置深度問題。嵌固端部位必須在滿足基礎(chǔ)有效埋置深度或可靠埋置深度的前提下選取，其位置可在基礎(chǔ)頂面也可以高于基礎(chǔ)頂面。對(duì)于設(shè)地下室的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋置深度決定了地下室的層數(shù)，結(jié)構(gòu)嵌固端根據(jù)具體要求可選在某一層頂板或底板處。對(duì)于抗震設(shè)防的高層建筑，其上部結(jié)構(gòu)嵌固在地下室或基礎(chǔ)的什么部位，是個(gè)非常重要的問題，它不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，而且還關(guān)系到結(jié)構(gòu)計(jì)算中構(gòu)件內(nèi)力的大小和變形等一系列問題。

3 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型不同，結(jié)構(gòu)嵌固端選取的側(cè)重點(diǎn)和位置就不相同，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型也就不同。如對(duì)于箱形基礎(chǔ)，在頂板滿足一定條件時(shí)，可將結(jié)構(gòu)嵌固端設(shè)在頂板處；對(duì)于樁基礎(chǔ)，一般以承臺(tái)面作為結(jié)構(gòu)嵌固端，但必須在該標(biāo)高處的縱橫方向設(shè)置剛度較大的基礎(chǔ)梁加以連結(jié)；而對(duì)于不設(shè)地下室的筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)面標(biāo)高與首層標(biāo)高有一定距離，不能把基礎(chǔ)面確定為嵌固端，則應(yīng)在地面標(biāo)高處設(shè)剛性地面以作為結(jié)構(gòu)嵌固端，這里的剛性地面是有具體要求的。

4 有無(wú)地下室

不設(shè)地下室時(shí)，結(jié)構(gòu)的嵌固端選取要根據(jù)基礎(chǔ)埋深和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式等影響因素綜合確定。當(dāng)設(shè)有地下室時(shí)，結(jié)構(gòu)嵌固端可根據(jù)地下室層數(shù)及其它要求選在一層或其它層的頂板或底板處。

關(guān)于地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位需滿足的條件問題，看起來(lái)不復(fù)雜，但在實(shí)際操作中并不像想象中的那么簡(jiǎn)單，還需滿足許多條件，而且還分為幾種情況。例如：地下室的層數(shù)及基礎(chǔ)等相關(guān)問題、地下一層與地上一層的等效剪切剛度比γ的計(jì)算問題、一般地下室與具有多塔樓的高層建筑地下室的地下一層與地上一層的等效剪切剛度比γ的計(jì)算取值的區(qū)別問題、上部結(jié)構(gòu)嵌固在地下室頂板時(shí)地下室結(jié)構(gòu)的地震作用和抗震計(jì)算問題等等。當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固端時(shí)，還要從樓板厚度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、頂板的配筋率、樓層的側(cè)面剛度等都有具體要求。當(dāng)高層建筑僅設(shè)一層地下室時(shí)，其嵌固端位置需視情況而定，如首層樓面留有大洞，或選用的是無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)時(shí)，一般取地下室底板為結(jié)構(gòu)嵌固端；當(dāng)?shù)叵率易鳛榉揽盏叵率业那闆r，因?yàn)榉揽盏叵率抑敯逋ǔ＞哂凶鳛榻Y(jié)構(gòu)嵌固端的剛度，因此可取其頂板處為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。

此外，從《高層規(guī)程》條文說(shuō)明中看到，地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端時(shí)，地下室層數(shù)不宜少于兩層，這意味著對(duì)高層建筑來(lái)說(shuō)，地下室層數(shù)或總深層不僅由地基基礎(chǔ)埋深決定，還必須考慮上述因素。

5 首層樓面活荷載

作為結(jié)構(gòu)嵌固端的首層樓面——地下室頂板，其在正常使用時(shí)的活荷載一般不太大，即使作為商場(chǎng)、餐飲等商業(yè)用途，其活荷載也僅為3.5kN/m2，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真考慮施工過(guò)程中可能產(chǎn)生的施工荷載。

根據(jù)場(chǎng)地條件，對(duì)于首層梁板構(gòu)件取活荷載為8.0-10.0kN/m2則往往是必要的。當(dāng)高層建筑主體結(jié)構(gòu)建至2層樓面時(shí)，首層地面自然而然就成為理想的施工場(chǎng)所和施工材料庫(kù)房，或用于堆放材料(袋裝水泥、砌塊、砂子、鋼材、搭架鋼腳手架等)，或用于鋼筋、鋼材的加工，甚至作為載重汽車的行駛通道和停車場(chǎng)等，即使是臨時(shí)荷載，其樓面活荷載也有必要取較高值，該活荷載值僅作用于該層結(jié)構(gòu)平面梁板，并不需傳給豎向構(gòu)件的墻柱。此外，該層樓板配置通長(zhǎng)兩層縱橫向鋼筋，不僅僅是出于增大剛度的考慮，而且是為了抵抗混凝土收縮和溫度應(yīng)力的需要。特別是由于房地產(chǎn)開發(fā)商的原因和北方地區(qū)氣候特點(diǎn)可能導(dǎo)致地下室頂板現(xiàn)澆完成后要裸露一段時(shí)間(從幾個(gè)月到幾年不等)，為了防止或減少由于暴曬或暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生的裂縫，配置足夠的樓板雙層縱橫向鋼筋顯得尤為必要。首層樓面考慮較大的施工荷載，計(jì)算時(shí)其梁板的截面就比較大，這樣有利于滿足首層樓面作為結(jié)構(gòu)嵌固端剛度要較大的要求。

6 基坑支護(hù)條件、支護(hù)方式及施工回填要求和方式

高層建筑一般都設(shè)置地下室，嵌固端的選取要充分考慮地下室外墻參與工作的影響。由于地下室外墻參與工作，地下室的側(cè)向剛度一般都大于上部結(jié)構(gòu)相鄰層的側(cè)向剛度。特別是，地下室與墻側(cè)土層接觸面積大，逸散阻尼增加，導(dǎo)致震動(dòng)衰減，降低了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)。此外，地震作用逼使與地下室接觸的土層發(fā)生相應(yīng)的變形，導(dǎo)致土對(duì)地下室外墻及底板產(chǎn)生抗力，約束了地下結(jié)構(gòu)的變形，從而提高了地下室的剛度，限制了地下室的側(cè)移?；又ёo(hù)條件、方式及回填要求和方式不同，這種作用的大小則不同。側(cè)限問題的真實(shí)性反映，設(shè)計(jì)人員很少有人考慮。

在實(shí)際工程基礎(chǔ)地基反力測(cè)試表明:地基反力一般是邊端大、中間小，反力峰值位于邊端附近；并且，基礎(chǔ)的剛度越大，反力越向邊端集中。而地下室墻側(cè)土的回填，相當(dāng)于基礎(chǔ)四周增加了許多附加荷載，使地基反力趨于平緩，即基礎(chǔ)兩端與中間部位地基反力的差值變小。

7 不同結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對(duì)結(jié)構(gòu)嵌固端選取

目前比較通用的計(jì)算軟件有SATWE、TAT、TBSA或ETABS、SAP等。由于各軟件在采用的計(jì)算模型上存在著一定的差異，從而導(dǎo)致了各軟件的計(jì)算結(jié)果或大或小有所不同。所以，在進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算時(shí)，必須根據(jù)結(jié)構(gòu)類型和計(jì)算軟件模型的特點(diǎn)準(zhǔn)確選擇合理的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件，并從不同軟件相差較大的計(jì)算結(jié)果中，判斷哪個(gè)是合理的、哪個(gè)是可以作為參考的，哪個(gè)又是意義不大的，這將是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算工作中面臨的首要任務(wù)。

8 結(jié)束語(yǔ)

地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)作為整個(gè)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的基石，不僅對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全起著至關(guān)重要的作用，而且對(duì)合理控制工程造價(jià)影響較大?；A(chǔ)埋置深度的確定和結(jié)構(gòu)嵌固端的選取又作為地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵步驟，不僅對(duì)基礎(chǔ)選型及結(jié)構(gòu)計(jì)算分析產(chǎn)生重要影響，而且還直接影響到整個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的合理性和準(zhǔn)確性，決定著結(jié)構(gòu)計(jì)算假定和計(jì)算模型選取的真實(shí)性和正確性。

［1］郁彥.高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1999.

［2］包世華,方鄂華.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.