帶地下室高層結(jié)構(gòu)嵌固端相關(guān)問題研究

張朝云

（重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 400015）

帶地下室高層結(jié)構(gòu)嵌固端相關(guān)問題研究

張朝云

（重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 400015）

該文針對(duì)我國現(xiàn)行規(guī)范對(duì)帶地下室高層結(jié)構(gòu)嵌固端的相關(guān)規(guī)定，運(yùn)用了計(jì)算模型和算例分析的方法，通過對(duì)地震作用下的動(dòng)力特性、變形特性和內(nèi)力特性等方面的比較，分別探討了剪切型和彎曲型高層建筑結(jié)構(gòu)地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端的判定條件。

高層結(jié)構(gòu)；剪切型；彎曲型；嵌固端；側(cè)向剛度

0 引言

高層結(jié)構(gòu)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算之前必須先確定結(jié)構(gòu)嵌固端的所在位置，正確選取其結(jié)構(gòu)嵌固端，是高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算模式中的一個(gè)重要假定[1]。特別是對(duì)于帶地下室高層結(jié)構(gòu)嵌固端選取至關(guān)重要。

在現(xiàn)行國家規(guī)范 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（簡稱《高規(guī)》）JGJ3—2010[2]中第5.3.7條規(guī)定：“高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算中，當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，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”。而在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（簡稱《抗震規(guī)范》）GB50011—2010[3]中第6.1.14條規(guī)定：“地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí)，結(jié)構(gòu)地上一層的側(cè)向剛度，不宜大于相關(guān)范圍地下一層側(cè)向剛度的0.5倍”。

根據(jù)對(duì)比《抗震規(guī)范》，《高規(guī)》以及上海市規(guī)范《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》（簡稱《上海市抗規(guī)》）DGJ08-9-2013[4]三本規(guī)范的相關(guān)內(nèi)容，除地下室頂板厚度，混凝土等級(jí)及柱配筋率等規(guī)定一致外，規(guī)范關(guān)于剛度比計(jì)算方法及范圍等內(nèi)容還有一些不一致的地方，列表敘述如表1所示。

從上述條文分析可知，規(guī)范對(duì)于剪切型，彎曲型以及剪彎型結(jié)構(gòu)不同的受力特性下，嵌固點(diǎn)是否應(yīng)區(qū)別對(duì)待，未給出相應(yīng)的闡述，且對(duì)于帶大底盤地下室結(jié)構(gòu)嵌固端的剛度計(jì)算方式及范圍有一定的沖突。因此本文選擇工程設(shè)計(jì)中最典型的剪切型和彎曲型高層結(jié)構(gòu)為例，對(duì)規(guī)范關(guān)于結(jié)構(gòu)嵌固端選擇的相關(guān)規(guī)定做進(jìn)一步的研究和探討。

表1 規(guī)范關(guān)于嵌固規(guī)定對(duì)照表

1 剪切型高層建筑嵌固端選擇算例分析

1.1 概述

對(duì)于嵌固層上下剛度比的計(jì)算方法，原有 《抗震規(guī)范》GB50011—2008要求采用剪切剛度進(jìn)行計(jì)算，現(xiàn)有《抗震規(guī)范》GB50011-2010[3]對(duì)此條進(jìn)行了刪除。但根據(jù)“高規(guī)”的說明，初算時(shí)可以采用剪切剛度。

而按照《高規(guī)》[2]第3.5.2條規(guī)定，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度應(yīng)根據(jù)框架結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)，分別計(jì)算結(jié)構(gòu)剛度。

對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，可取地震作用下的層剪力與層間位移之比：

其中Vi為層i的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值，△ui為i層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值作用下的層間位移。

對(duì)框架-剪力墻，板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)，框架-核心筒結(jié)構(gòu)，筒中筒結(jié)構(gòu)，剛度比應(yīng)考慮層高的修正作用，即：

其中hi為層i的層高[5]。

根據(jù)相關(guān)分析資料可知，采用結(jié)構(gòu)剪切剛度進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析存在一定的誤差，故此本文擬采用有限元分析軟件首先對(duì)剪切剛度計(jì)算方法做進(jìn)一步的分析，計(jì)算軟件采用SAP2000。

1.2 算例分析

本節(jié)利用SAP2000有限元分析計(jì)算軟件建立帶地下室的結(jié)構(gòu)分析模型，建立兩種模型進(jìn)行對(duì)比分析，第一種模型為簡化模型，即力學(xué)分析中常見的葫蘆串模型；第二種模型為普通結(jié)構(gòu)三維模型[6-7]。本計(jì)算抗震設(shè)防烈度均取7度（0.10g），地震分組為第一組，場地土類別II類，其余參數(shù)根據(jù)實(shí)際工程計(jì)算進(jìn)行確定，在此不一一列述。梁、柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)及柱截面尺寸根據(jù)地下室結(jié)構(gòu)層與上部結(jié)構(gòu)層側(cè)向剛度比進(jìn)行調(diào)整。葫蘆串模型及三維模型標(biāo)準(zhǔn)層示意圖如圖1。

圖1 層模型及三維桿系模型示意圖

如前所述，框架結(jié)構(gòu)剪切剛度主要由柱截面和混凝土等級(jí)控制。根據(jù)分析，可以通過調(diào)整混凝土彈性模量及框架柱大小調(diào)整地下室側(cè)向剛度。根據(jù)初算，地下室剪切剛度比取0.9～4.3均勻取值。分析數(shù)據(jù)結(jié)果整理如圖2、圖3。

圖2 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移誤差值圖

圖3 結(jié)構(gòu)自振周期誤差值圖

本節(jié)中定義誤差為：誤差k＝（地下室不嵌固模型參數(shù)a-地下室嵌固模型參數(shù)b）/地下室嵌固模型參數(shù)b。由圖示，結(jié)構(gòu)底部剛度在逐步增大的過程中，誤差變化的趨勢是逐步變小。在當(dāng)剛度比大于2～2.5時(shí)，曲線逐步變得平緩，誤差絕對(duì)值約為4%左右。根據(jù)相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)可得，這種誤差率是處于工程允許的誤差范圍之內(nèi)的。

根據(jù)分析可得，當(dāng)?shù)叵率覀?cè)向剛度與相鄰結(jié)構(gòu)層側(cè)向剛度比大于2時(shí)，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和變形特性的誤差值均較小，下面將研究不同剛度比對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力性能的影響。隨機(jī)選取圖中地上一層柱進(jìn)行內(nèi)力分析，中柱和邊柱各一根，編號(hào)分別為C19及C26。分析數(shù)據(jù)結(jié)果整理如圖4、圖5。

綜上所述，對(duì)于剪切型高層結(jié)構(gòu)，當(dāng)下部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度與相鄰上部樓層側(cè)向剛度的比值逐步增大時(shí)，整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，變形性能以及受力性能所產(chǎn)生的誤差值均逐步較小。當(dāng)剛度比大于2時(shí)，其誤差值均小于10%，大部分計(jì)算結(jié)果誤差率小于5%，處于結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)允許的誤差范圍之內(nèi)，即可認(rèn)為此時(shí)可把地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位計(jì)算。

2 彎曲型高層建筑嵌固端選擇算例分析

2.1 概述

該工程項(xiàng)目坐落于南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū),為廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院職工住宅樓。該工程地面以上為32層，地下設(shè)一層地下室。32層以上為電梯機(jī)房層和水箱層?；A(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)。

本結(jié)構(gòu)建筑安全等級(jí)為二級(jí)；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)?；撅L(fēng)壓為0.40 kN/m2。

標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖6。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

本算例采用中國建筑科學(xué)研究院SATWE軟件進(jìn)行分析計(jì)算，分別計(jì)算以基礎(chǔ)頂面和地下室頂板為固定端兩種情況。筆者建立了2個(gè)模型：

模型一：地下室頂板為嵌固點(diǎn)，嵌固點(diǎn)以上獨(dú)立分析；

模型二：高層結(jié)構(gòu)帶一層地下室，嵌固點(diǎn)為地下室底板。

2.2 SATWE計(jì)算結(jié)果（如表2）

表2 有無地下室SATWE計(jì)算結(jié)果比較

有無地下室情況下結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度表3所示，由于數(shù)據(jù)較多，本文僅列出了上、中、下三個(gè)典型部位的側(cè)移剛度進(jìn)行比較。

表3 有無地下室情況下結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度對(duì)比表

根據(jù)以上分析可得，如果按模型二計(jì)算，結(jié)構(gòu)計(jì)算高度增加，如果不考慮土體對(duì)地下室的相對(duì)作用，則計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況會(huì)有所偏差，計(jì)算出的結(jié)構(gòu)自振周期比實(shí)際的長，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也比實(shí)際情況有所增大。采用模型一計(jì)算，結(jié)構(gòu)的計(jì)算高度和風(fēng)荷載計(jì)算與實(shí)際情況比較相似，但是因?yàn)榘训叵率铱紤]成剛度無限大，在實(shí)際工程受力中，特別是彎曲型結(jié)構(gòu)受力中，地下室特別是多層地下室，結(jié)構(gòu)彎曲可以通過地下室構(gòu)件進(jìn)行有效的傳遞，故此種情況與實(shí)際受力也不完全一致。按此種情況計(jì)算的結(jié)構(gòu)受力，可能比實(shí)際情況的小，造成結(jié)構(gòu)不安全。

但是，總體來說，模型一與模型二的計(jì)算結(jié)果對(duì)于該工程的計(jì)算結(jié)果影響較小，主要原因是該工程為剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)為彎曲型變形，上部抗側(cè)力結(jié)構(gòu)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(shí)地下室頂板的分散和傳遞作用很小，甚至可以不考慮。即地下室頂板厚度對(duì)于地下室的嵌固影響較小[8]。

故對(duì)于彎曲型高層結(jié)構(gòu)，嵌固點(diǎn)的選擇應(yīng)主要加強(qiáng)下部剪力墻的配筋和構(gòu)造，同時(shí)地下室應(yīng)為全地下室，對(duì)結(jié)構(gòu)底盤形成有效的嵌固，這樣才能保證地震力及其他水平力的有效傳遞，使嵌固層塑性鉸出現(xiàn)在概念設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的位置。

3 結(jié)論

針對(duì)我國現(xiàn)行規(guī)范對(duì)帶地下室高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端的相關(guān)規(guī)定，本文分別以剪切型高層和彎曲型結(jié)構(gòu)高層為例，分別運(yùn)用了動(dòng)力分析和算例分析的方法，對(duì)《抗震規(guī)范》和《高規(guī)》的相關(guān)規(guī)定的合理性和不足之處進(jìn)行了相應(yīng)的分析和研究，得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）對(duì)于剪切型高層結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)叵率医Y(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度大于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的2倍時(shí)，可以將地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端；

（2）對(duì)于彎曲型高層結(jié)構(gòu)，地下室頂板厚度對(duì)結(jié)構(gòu)嵌固影響較小，應(yīng)加強(qiáng)嵌固點(diǎn)下部的剪力墻配筋及構(gòu)造。

當(dāng)然，除了以上幾點(diǎn)結(jié)論以外，本文還有一些值得深入研究的地方，如本文未對(duì)彎剪型結(jié)構(gòu)嵌固端的選擇進(jìn)行相關(guān)分析，以及對(duì)大底盤地下室側(cè)向剛度計(jì)算范圍進(jìn)行分析等，在后續(xù)工作中應(yīng)對(duì)此進(jìn)行相應(yīng)的分析及補(bǔ)充。

[1]張朝云.帶地下室高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端的選擇及相關(guān)問題研究[C].重慶：重慶大學(xué)碩士論文，2008，4.

[2]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50011—2010建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4]上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會(huì).DGJ08-9-2013建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程：上海市工程建設(shè)規(guī)范[S].上海市建筑建材業(yè)市場管理總站，2013.

[5]趙兵，陳萱.SATWE軟件如何計(jì)算剛度比[J].建筑結(jié)構(gòu)，2005，35(12)：79-82.

[6]程志輝，張俊勝.帶地下室高層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算模型[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，33(6)：89-93.

[7]李桂青.抗震結(jié)構(gòu)計(jì)算理論和方法[M].北京:地震出版社,1985：44-68．

[8]潘近樂.設(shè)計(jì)中高層帶地下室結(jié)構(gòu)嵌固端的合理選取[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)， 2013（04）.

Reseach on The Position of Fixity of TallBuilding Structures with Basements

Necessary requirements to definition of the fixity of tall Building in the Code for seismic design of buildings and Technical specification for concrete structuresof tall building,it takes theway of analysing dynam ic calculatingmodelsand typicalstructure example to compare in several aspects such as dynamic character,deformation character and stress character,as to obtain the conditions for taking the top-floor of basementas the fixed of the tallbuilding.

tallbuilding;shear;bending;position of fixity;rigidity

TU31

A

1671-9107（2014）05-0054-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.05.054

2013-11-26

張朝云（1981-），男，重慶人，研究生，工程師，主要從事鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究。

孫蘇，李紅