探討高層建筑地下室頂板嵌固的設(shè)計

李章俊

摘 要：社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，建筑業(yè)在不斷的進步與發(fā)展，高層建筑也越來越多，人們對建筑的要求也在不斷的增多。在高層建筑中，地下室頂板作為嵌固端，在實際工程中對嵌固端的設(shè)計計算會存在一定的誤差。該文針對高程建筑地下室頂板的嵌固設(shè)計進行一定的分析，研究和嵌固端相關(guān)的技術(shù)問題，確保其嵌固端的正確選取，保證高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的真實性與準確性。

關(guān)鍵詞：高層建筑 地下室 頂板嵌固設(shè)計

中圖分類號：TU7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（c）-0054-02

在建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，嵌固端即固定端，防止構(gòu)件在固定的部位有任何的位移。在高層建筑中，多設(shè)有地下室用于防震與減輕地震的破環(huán)程度、增加地基的承載力、提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的傾覆能力。在高層建筑的結(jié)構(gòu)計算中，正確的選取嵌固端是重要的一項假定，關(guān)乎著結(jié)構(gòu)中構(gòu)件準確的內(nèi)力分配、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)移是否真實、結(jié)構(gòu)局部是否具有經(jīng)濟性。在高層建筑設(shè)計中，采用地下室頂板用作結(jié)構(gòu)的嵌固端是非常常見的計算模式，合理的選取地下室結(jié)構(gòu)的嵌固端十分的重要。

1 地下室頂板作為高層建筑上部結(jié)構(gòu)嵌固端的要求

依據(jù)高層民用建筑防火設(shè)計的規(guī)定，對高層建筑的結(jié)構(gòu)計算，如果地下室頂板用作上部結(jié)構(gòu)的嵌固端時，地下室樓層的側(cè)向剛度要不小于相鄰結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度的兩倍。但在實際的工程建設(shè)中，由于地下室側(cè)向剛度和塔樓側(cè)向剛度之間具有不連續(xù)性，所以當(dāng)?shù)叵率易鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固時，通常是有一定的條件的。地下室頂板作為高程建筑上部結(jié)構(gòu)的嵌固端重點在于加強地下室樓層側(cè)向剛度、加強整體的承載能力，為滿足上部結(jié)構(gòu)嵌固端的要求，高層地下室應(yīng)滿足以下要求：

（1）地下室頂板的設(shè)計要盡量不出現(xiàn)開設(shè)大洞的情況，結(jié)構(gòu)上采用現(xiàn)澆梁板，嚴格控制各項構(gòu)件的規(guī)格，混凝土的強度等級控制在C30以上，樓板的厚度控制在180 mm以上，每層的都要采用雙層雙向的配筋，配筋率控制在0.25%以上。

（2）對地下室的柱截面縱向的鋼筋面積的要求，一是滿足計算要求，二是與地上一層對應(yīng)柱每側(cè)的鋼筋面積相比，要不小于地上一層鋼筋面積的1.1倍，且地下室的剪刀墻的配筋也要比地上一層的配筋多。

（3）在對地下室柱底嵌固端的設(shè)計時，要提高地下室頂板梁的受彎承載力，增加柱頂承載力。因地下一層的柱會出現(xiàn)塑性鉸所以一定要加強對柱底嵌固的考慮。

（4）地下室邊柱角柱問題，依據(jù)其一面有梁的特點，在提高梁端截面的實際彎矩承載力時可采用的方法有：一是梁截面的增加，二是梁配筋的增加但梁截面不增大，要保證邊柱角柱的梁截面要大于柱下端的實際承載力。

2 實際工程中地下室嵌固端出現(xiàn)難判斷的原因

在實際的工程設(shè)計中，經(jīng)常會遇到一些問題，影響設(shè)計的方案，在遇到以下情況時，要適當(dāng)?shù)目紤]地下室頂板是否可以用作高層建筑的上部結(jié)構(gòu)中的嵌固端。

2.1 地下室出現(xiàn)埋置深度較淺情況

依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》與抗震規(guī)范的指導(dǎo)，嵌固的概念是強度嵌固，區(qū)別于完全剛性固定的力學(xué)嵌固，強度固定的嵌固點可以平動和轉(zhuǎn)動，沒有實現(xiàn)完全約束，柱塑性鉸出現(xiàn)在了地上一層的下端，沒有出現(xiàn)在梁柱的節(jié)點兩側(cè)梁上的位置，所以被稱為強度嵌固。對于出現(xiàn)的地下室埋置深度較淺的情況，如果前提條件是側(cè)向的剛度、地下室的樓板、梁、柱與剪刀墻都滿足了嵌固的要求，就可以適當(dāng)?shù)目紤]用于嵌固。

2.2 地下室頂板出現(xiàn)標高不一致情況

前提條件是樓板要連續(xù)、滿足嵌固部位的需求，包括：側(cè)向剛度、地下室樓板、梁、柱與剪刀墻。不同于上一種情況，在地下室頂板出現(xiàn)標高不一致的情況，還需要特別注意兩種情況：一是必須要保證的剪力的傳遞性；二是錯平處梁受扭問題要特別的注意。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

設(shè)計師要對高層建筑中的結(jié)構(gòu)設(shè)計做出最合理的設(shè)計分析，減少計算內(nèi)力與位移產(chǎn)生的誤差，減少不安全性，保證地下室頂板的嵌固達到理想的嵌固約束要求。下面是對結(jié)構(gòu)設(shè)計中的分析建議。

3.1 一層地下室

在高層建筑中設(shè)置的是一層的地下室時，一般情況下會選用基礎(chǔ)底板作為結(jié)構(gòu)的嵌固端，這樣就可以利用剛度的優(yōu)勢，便于首層樓面的結(jié)構(gòu)選型，也可以保證結(jié)構(gòu)計算準確性。

（1）半埋式地下室，考慮到周邊填土的影響，地下室缺乏足夠的約束，就會出現(xiàn)水平的位移，在對嵌固端的選取是要以地下室的頂板作為嵌固端。

（2）全埋式地下室，有兩種情況，一是在樓層的上下剛度比滿足所需要求時，用頂板處作為結(jié)構(gòu)的嵌固端，二是在不能滿足需求時采用地下室的底板作為結(jié)構(gòu)的嵌固端，樓層的剛度比包括：地下一層和首層之間、首層和2層之間。

（3）風(fēng)荷載作用的情況下，依據(jù)風(fēng)荷載規(guī)范，風(fēng)荷載的標準值是由高度z處的風(fēng)度系數(shù)、風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)壓的高度變化系數(shù)、基本風(fēng)壓的乘積組成，其公式為：wk=βzμsμzWo。依據(jù)公式得出，如果結(jié)構(gòu)自振周期增加，風(fēng)荷載也會隨之增加，也就是說在按固端的模型計算的風(fēng)壓值會小于實際的風(fēng)壓值。

3.2 多層地下室

在多層地下室中，其地下一層以下的各項、層都是不需要計算地震的作用的且也不會承受風(fēng)荷載的作用，所以在一般的情況下都會采用地下室頂板部位作為嵌固端。在結(jié)構(gòu)計算中，以頂板為嵌固端，計算所得的結(jié)果更能反映上部結(jié)構(gòu)的實際情況。為保證地下室的頂板真正的成為結(jié)構(gòu)的嵌固端，就要按照固定標準全方位的進行要求與約束，控制好樓層的上下剛度比，樓層上下的剛度比有兩種情況：一是地下一層的側(cè)向剛度比與首層相比不能小于2；二是在首層的層高超過2層層高的1.5情況下，首層的側(cè)向剛度比與2層不能小于4.5。

（1）全埋式地下室，在多層地下室中，周邊填土對其有足夠約束作用，使地下室的側(cè)向出現(xiàn)變形的現(xiàn)象，在一定程度上地下室樓層的側(cè)向剛度被提高，減少了嵌固層的結(jié)構(gòu)變形，發(fā)揮更好的作用。在樓層的剛度比與規(guī)范要求相符合時，用頂板處作為結(jié)構(gòu)的嵌固端。endprint

（2）半埋式地下室，在多層地下室中其負一層是半埋式時，頂板因為室內(nèi)外高差的原因，造成頂板的平面剛度可能較小，或者地下室側(cè)壁因為遠離主體結(jié)構(gòu)造成上下層的結(jié)構(gòu)剛度比較小，在這種情況下，就要采用更下一層作為結(jié)構(gòu)的嵌固端。

3.3 抗震等級

機構(gòu)設(shè)計要符合剛度規(guī)范要求、抗規(guī)要求，在滿足條件的情況下直接按照規(guī)范進行地下結(jié)構(gòu)的地震等級選取，一些特殊的情況做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整：

地下室的一側(cè)或者兩側(cè)開敞的情況，在對嵌固端進行考慮時，要先滿足剛度的規(guī)范與構(gòu)造的要求，因土的約束作用在逐漸減小，其地下各層的抗震等級的選取要與上部的結(jié)構(gòu)相同。

半地下室的情況，半地下室的覆土深度一般在地下的一層，處于層高的一半位置。如果地下室的頂板滿足剛度規(guī)范與構(gòu)造要求時，地下一層的抗震等級與上部結(jié)構(gòu)相同，地下二層的抗震等級要比地下一層減一級（見圖1）。

3.4 地下室頂板設(shè)轉(zhuǎn)換層

在對高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，因為地下室經(jīng)常設(shè)有停車場，這時就要在地下室的頂板上設(shè)裝換層，依據(jù)地震與風(fēng)荷的作用，地下室有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點：

（1）在實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，加強剪刀墻的結(jié)構(gòu)底部需要取頂板的上二層和墻肢總高的八分之一處的較大值。在地下室的四邊都有覆土的情況下，要從覆土下面的第二層樓板的標高算起，在對構(gòu)造配筋的選擇上，覆土下面的二層往下的剪刀墻選用三級或者四級的構(gòu)造配筋。

（2）在地下室的一面沒有覆土的情況下，依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對構(gòu)造、剛度與抗震等級的要求，在滿足要求的情況下，可以在頂板或者其它層設(shè)置嵌固端。

（3）在地下室的頂板有大開洞的情況下，要先考慮洞口對這一層的剛度產(chǎn)生的削弱作用，因為洞口的大小沒有特定的計量標準，這時就要先計算看是否符合嵌固的要求，依據(jù)具體的情況做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3.5 按嵌固端計算對上部結(jié)構(gòu)層間位移的影響

在進行計算結(jié)構(gòu)頂點的加速度時，要依據(jù)《高層居民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，該規(guī)程中規(guī)定橫內(nèi)風(fēng)的頂點最大的加速度要與結(jié)構(gòu)的第一周期的平方之間是反比關(guān)系，即在周期變短的情況下，頂點的加速度就會增加，反之周期變長，頂點的加速度就會減小，因此在進行頂點加速度的限值計算影響要偏于安全。

如果在嵌固端加初始位移角，從而上部結(jié)構(gòu)層間的位移角就會加大。這時就要考慮兩種情況，一是在不按照固端計算時，二是按照固端計算的情況，前者會加大層間的位移，后者也會加大層間的位移角，因為按照固端計算，就會導(dǎo)致計算的周期減小，加大了地震力。依據(jù)這兩種情況，得出在設(shè)計合理的情況下，要依據(jù)上下部一起工作來對層間的位移角進行考慮，在此基礎(chǔ)上還要將土的約束作用考慮進去。

通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析會得出在結(jié)構(gòu)的自振周期控制在0.1 s以內(nèi)和風(fēng)荷載的作用前提下，依據(jù)規(guī)范要求進行嵌固的計算，這時計算的內(nèi)力會相對偏小，這時就要將土的約束作用考慮進去，從整體出發(fā)進行計算；多層地下室中，要對層的剛度比加以計算，準確判斷嵌固端的位置，如果多層地下室有轉(zhuǎn)換層，先要對嵌固端的位置進行判斷，對轉(zhuǎn)換層與嵌固端之間的高度進行計算，判斷是否可以高位轉(zhuǎn)換，再對土的約束作用進行考慮，用來判定剪刀墻的底部加強區(qū)范圍。

4 結(jié)語

在對高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，正確的選取結(jié)構(gòu)的嵌固端是非常重要的一個環(huán)節(jié)，影響著結(jié)構(gòu)計算的準確性與真實性，正確的選取結(jié)構(gòu)的嵌固端，保障結(jié)構(gòu)的布置與配筋構(gòu)造，發(fā)揮高層建筑中地下室的作用，保證建筑業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

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