關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中地下室嵌固作用的思考

【摘 要】隨著城市的快速發(fā)展，帶有地下室的建筑能夠起到有效利用空間資源的作用，并且對提高土地的利用率，緩解大城市用地緊張等問題有明顯的改善。因此，在近現(xiàn)代城市建筑發(fā)展中，地下建筑占有非常重要的地位。一方面，地下建筑可以作為人防等重點工程的使用；另一方面，地下商場以及停車場也越來越多的涌現(xiàn)在城市的各個角落，解決了城市的擁堵現(xiàn)象。而且地下建筑的發(fā)展水平也體現(xiàn)一個城市的經(jīng)濟發(fā)展程度和科學(xué)技術(shù)水平的高低。因此，在今后的建筑作品中，將會呈現(xiàn)越來越多的高層帶地下室的建筑結(jié)構(gòu)。本文對地下室嵌固作用進行了探討，并提出一些結(jié)構(gòu)設(shè)計中的思路和方法。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；地下室；嵌固作用

高層建筑是一個由上部結(jié)構(gòu)和地下室組成的完整承載力體系，具有共同的位移場，相互協(xié)調(diào)變形。地下室外的回填土對結(jié)構(gòu)有一定的約束作用，僅約束水平位移，而對豎向位移和豎向轉(zhuǎn)動不限制。由于這些問題，在高層建筑設(shè)計中，進行結(jié)構(gòu)分析計算之前必須首先確定結(jié)構(gòu)嵌固端的所在位置，它不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)中某些構(gòu)件內(nèi)力分配的準(zhǔn)確性，而且還影響結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)移的真實性，以及結(jié)構(gòu)局部的經(jīng)濟性。

一、地下室設(shè)置的各種情況

高層建筑結(jié)構(gòu)分析計算時必須對結(jié)構(gòu)進行力學(xué)上的簡化處理，其中重要的簡化處理（即計算假定）就是結(jié)構(gòu)嵌固端的設(shè)定，此設(shè)定既要反映結(jié)構(gòu)的受力性能，又要適應(yīng)所選用的計算分析軟件的力學(xué)模型。而實際工程的高層建筑所設(shè)置的地下室卻有各種不同情況：有單層和多層的，有半埋式的和全埋式的，有地下室側(cè)壁和主樓首層投影部位重疊或相距較近的也有相距較遠的，有地下1層層高與首層層高接近的或相差較大的（后者又分地下1層層高高于或低于首層層高的），也有首層層高遠大于2層層高的；從地下室基坑支護結(jié)構(gòu)的功能上分，有支護結(jié)構(gòu)與地下室側(cè)壁分別設(shè)置的，也有二者合一的等等。這樣使得高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端的選取不可能千篇一律，必須根據(jù)地下室設(shè)置的不同情況選取合理的結(jié)構(gòu)嵌固端。

二、對嵌固機構(gòu)的認(rèn)知

1.嵌固層，是以一個堅硬、穩(wěn)定，可以牢固握裹住上部結(jié)構(gòu)的一個剛體，比如旗桿下面的臺座等。嵌固層的作用是能限制上部結(jié)構(gòu)在水平方向的平動位移和轉(zhuǎn)動位移，并能將上部結(jié)構(gòu)的剪力全部或大部傳遞給下部結(jié)構(gòu)，使上部結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的塑性鉸出現(xiàn)在豎向構(gòu)件的根部，這就要求作為嵌固端的下部結(jié)構(gòu)必須具有較大的側(cè)向剛度，以保證事實嵌固端的形成。

2.通常在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，較為普遍的是取建筑物的地下室作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。事實上，在建筑結(jié)構(gòu)中，由于各種工程項目的不同，地下室的實際狀況亦有所不同，比如因為工程需要，在地下室頂板上開設(shè)大洞口等；這時，地下室頂板就不能作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固層，而應(yīng)調(diào)整嵌固位置；即使地下室在形態(tài)上滿足作為上部結(jié)構(gòu)嵌固層的條件，還必須滿足地下室的樓層側(cè)向剛度大于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的2倍這個最重要的條件。

三、對上部結(jié)構(gòu)嵌固作用的主要分析方法

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，帶地下室的高層建筑計算模型主要有以下三個核心問題：一是如何合理考慮地下室的剛度；二是如何正確反映回填土對地下室的約束；三是如何考慮基礎(chǔ)的作用。目前在上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計中不直接考慮基礎(chǔ)的影響，一般是假定在基礎(chǔ)面上約束，或者在施工模擬荷載時近似考慮。為了合理考慮地下室的剛度，一般都是把地下室和上部結(jié)構(gòu)一起建模。對于回填土對地下室的約束的分析方法，近幾年理論研究比較多，已取得一定的研究成果，主要有嵌固水平位移法和彈簧剛度法。

1.嵌固水平位移法。嵌固水平位移法即通過考慮地下室水平位移的側(cè)向嵌固來考慮回填土的約束作用。主要涉及到地下室結(jié)構(gòu)與相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層的側(cè)向剛度比。側(cè)向剛度的計算主要有三種方法：

（1）地震剪力與地震層間位移比。地震剪力與地震層間位移比是一種與外力有關(guān)的計算方法。規(guī)范中規(guī)定的不僅包括了地震力產(chǎn)生的位移，還包括了用于該樓層的傾覆力矩產(chǎn)生的位移和由于下一層的樓層轉(zhuǎn)動而引起本層剛體轉(zhuǎn)動位移。

（2）剪彎剛度。剪彎剛度本質(zhì)上就是單位力作用下的層間位移角，所以其剛度比也就是層間位移角之比。它雖然能同時考慮剪切變形和彎曲變形的影響，但沒并有考慮上下層對本層的約束。

（3）剪切剛度。剪切剛度的計算方法主要是剪切面積與相應(yīng)層高的比，其大小跟結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的剪切面積和層高相關(guān)。剪切剛度沒有考慮帶支撐的結(jié)構(gòu)體系和剪力墻洞口高度變化時所產(chǎn)生的影響。

2.彈簧剛度法。彈簧剛度法的計算模型是將上部結(jié)構(gòu)與地下室作為一個整體考慮，嵌固端選取在基礎(chǔ)底板處，并在每層地下室的樓板處引入水平彈簧剛度，其值的大小反映回填土對地下室約束作用的強弱。設(shè)計人員運用該種方法時需要確定水平彈簧剛度的具體取值，這是十分困難的，很難確定回填土對地下室約束作用的具體大小。在SATWE軟件中，沒有直接要求用戶輸入水平彈簧剛度的真實數(shù)值，而是間接地要求輸入回填土對地下室約束作用的相對（彈簧）剛度比，其含義是回填土的約束剛度與地下室本身抗側(cè)移剛度的比值。若取相對剛度比為零，則表示不考慮回填土的約束剛度；若取相對剛度比為5.0或更大，則計算結(jié)果與嵌固各層地下室頂板水平位移效果一致。這是兩個極端情況，工程實際情況應(yīng)該介于這兩種情況之間，為確定相對剛度比的合理取值范圍，研究者對許多工程進行了對比分析，分析經(jīng)驗表明，對于一般工程，取相對剛度比在2.0到4.0之間變化比較合適。

四、結(jié)構(gòu)軟件對地下室結(jié)構(gòu)的處理方法

1.做上部的結(jié)構(gòu)的具體計算的時候，要先確定嵌固的位置，因為位置影響著基礎(chǔ)的彎矩，這對整個結(jié)構(gòu)的設(shè)計和基礎(chǔ)的分析設(shè)計都是很重要的，而且和建筑的安全和質(zhì)量息息相關(guān)，嵌固位置的準(zhǔn)確關(guān)系著計算模型和最終的受力情況的符合規(guī)則。

2.嵌固部位結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載力是塑性鉸出現(xiàn)的必要條件。地下室嵌固部位應(yīng)能承受上部結(jié)構(gòu)屈服超強引起的內(nèi)力及地下室本身的地震作用。因此，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》都規(guī)定：當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固部位時，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。地下室不能滿足嵌固部位的樓層側(cè)向剛度比規(guī)定時，可以增加地下室樓層的側(cè)向剛度，或者將主體結(jié)構(gòu)的嵌固部位下移至符合要求的部位，如基礎(chǔ)頂面等。當(dāng)?shù)叵率也簧儆趦蓪訒r，地下室頂部可作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位。在實際工程設(shè)計中，經(jīng)常運用SATWE有限元軟件進行結(jié)構(gòu)計算，主要可采用以下三種方法考慮嵌固端的選取問題：

（1）以地下室底板作為嵌固端，取相對剛度比為0這樣的方式?jīng)]有對地下土體對整個地下室側(cè)面的嵌固作用的影響進行考慮，從而增加了計算的高度，使得模型和實際的狀況有不同，一般都不適用。

（2）取地下室底板作為嵌固端，取相對剛度比為2-4一般取3。這樣的方式適當(dāng)?shù)目紤]了地下室的土壓力，但是影響土堆地下室約束作用的因素十分的多，很難準(zhǔn)確的知道作用的大小，這樣的方式雖不夠準(zhǔn)確，但是還是比第一種好些，當(dāng)前使用的也相對多一些。

（3）地下室嵌固端設(shè)在地下室的頂板處，要把地下室的結(jié)構(gòu)和上部的結(jié)構(gòu)獨立的計算，或者整體計算，但是相對剛度比取5或者更大，這樣的方式地下室的水平的位移和豎向的位移都被完整的嵌固，這樣結(jié)構(gòu)的剛度加大，和實際的狀況不一樣。

五、地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的要求

1.嵌固端的選取固然很重要，但是在選定嵌固端后，如何保證其成為真正的嵌固端也是設(shè)計人員所關(guān)心的重要問題?！犊挂?guī)》6.1.14條規(guī)定了地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位時的有關(guān)要求。主要包括以下四點：第一，樓板厚度不宜小于180mm；第二，混凝土強度等級不宜小于C30，應(yīng)采用雙層雙向配筋，且每層每個方向的配筋率不宜小于0.25%；第三，頂板不宜開大洞；第四，地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的2倍。規(guī)范這樣規(guī)定主要是考慮柱在地上一層的下端出現(xiàn)塑性鉸而不是梁柱節(jié)點兩側(cè)的梁出現(xiàn)塑性鉸。通常采用提高地下室頂板梁受彎承載力且增大地下室柱頂?shù)氖軓澇休d力的方法來考慮柱底的嵌固。

2.地下室側(cè)向剛度與上部樓層結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比對地下室嵌固作用的大小有很大的影響。通過建立規(guī)則框架模型，改變地下室結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，分析結(jié)構(gòu)的動力、內(nèi)力和變形特性。當(dāng)側(cè)向剛度比小于2時，考慮地下室回填土作用與不考慮地下室回填土的約束作用誤差比較明顯，當(dāng)側(cè)向剛度比大于2時，兩種建模方式計算結(jié)果相對誤差較小，說明此時地下室建模是否嵌固對結(jié)構(gòu)性能計算結(jié)果影響不大，驗證了規(guī)范規(guī)定當(dāng)?shù)叵率覀?cè)向剛度與上部結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比大于2的條文規(guī)定。

3.隨著地下室頂板厚度的增大，嵌固端選取在底部還是頂部兩種模型（如圖）內(nèi)力誤差值減小，然而由于兩種模型質(zhì)量和剛度上的差異，若要做到完全無誤差，頂板需要達到面內(nèi)面外完全無限剛度，在實際中是不可能的，所以規(guī)范建議板厚取l80mm以上，且需要注意柱內(nèi)力的調(diào)整：同時規(guī)定頂板的開動率也是為了保證頂板具有一定的剛度。

高層建筑上部分的負(fù)荷大，基礎(chǔ)設(shè)埋的深，所以地下室的嵌固作用就是很重要的，直接關(guān)系著建筑的質(zhì)量和安全問題，所以做好地下室的嵌固結(jié)構(gòu)很重要，正因為其內(nèi)部的復(fù)雜和依舊存在的問題，所以結(jié)構(gòu)的設(shè)置更是值得人們研究和分析，只有更好的設(shè)計準(zhǔn)確的把握嵌固結(jié)構(gòu)模型的計算和分析，才能更好的采取適當(dāng)?shù)拇胧?，保證了建筑的質(zhì)量經(jīng)濟和最終的安全。

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