結(jié)構(gòu)嵌固端的確定及相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

林功丁

(福州市建筑設(shè)計(jì)院 福建福州 350001)

引 言

結(jié)構(gòu)嵌固端是結(jié)構(gòu)分析的主要計(jì)算條件之一，也是落實(shí)抗震措施的重要部位。對(duì)于沒(méi)有地下室的建筑，結(jié)構(gòu)嵌固端的位置非常明確，即基礎(chǔ)構(gòu)件的頂部。對(duì)于有地下室的建筑，由于計(jì)算軟件可以進(jìn)行帶地下室的整體分析，在工程設(shè)計(jì)中如何正確選擇結(jié)構(gòu)嵌固端位置，并在該部位合理采取抗震措施顯得尤為重要。本文通過(guò)對(duì)有關(guān)規(guī)范、規(guī)程條文的解讀，剖析結(jié)構(gòu)嵌固端的設(shè)計(jì)概念，提出帶地下室結(jié)構(gòu)整體分析時(shí)的相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以期達(dá)到正確把握結(jié)構(gòu)嵌固端設(shè)計(jì)的目的。

1 結(jié)構(gòu)嵌固端定義及相關(guān)術(shù)語(yǔ)

力學(xué)概念上的嵌固端是指該部位無(wú)水平與轉(zhuǎn)動(dòng)位移，顯然基礎(chǔ)構(gòu)件的頂部屬于此類(lèi)嵌固端，一般稱(chēng)為力學(xué)嵌固端。帶地下室的建筑，當(dāng)嵌固端不是取在基礎(chǔ)構(gòu)件的頂部而取在地下室頂板或地下室樓板處時(shí)，該部位僅限定結(jié)構(gòu)的水平位移，而對(duì)其他自由度并不施加任何限制條件，此類(lèi)嵌固端一般稱(chēng)為計(jì)算嵌固端。

對(duì)于計(jì)算嵌固端，規(guī)范、規(guī)程均給出了具體的設(shè)計(jì)控制要求及與此有關(guān)的抗震措施。相關(guān)的條文內(nèi)容有，現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《抗規(guī)》)6.1.3條、6.1.10條、6.1.14條，現(xiàn)行的《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[2](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《高規(guī)》)3.5.2條、3.6.3條、3.9.5條、5.3.7條、7.1.4條、12.2.1 條，現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]11.1.4 條、11.1.5條，現(xiàn)行的《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《地規(guī)》)8.4.25條等。

條文中涉及到嵌固端的相關(guān)術(shù)語(yǔ)主要有二個(gè)，即嵌固部位與嵌固層。嵌固部位即位于嵌固端下部的部位，嵌固層是嵌固端所在的層。例如嵌固端設(shè)在地下室頂板處，地上一層即為嵌固層，如(圖1)所示。計(jì)算嵌固端所在層，規(guī)范條文中一般也稱(chēng)為底層。

圖1 嵌固端相關(guān)部位示意圖(本圖摘自文獻(xiàn)[6])

值得注意的是，所謂計(jì)算嵌固端是基于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型并且保證抗震措施到位而提出的。滿(mǎn)足一定的設(shè)計(jì)控制條件的計(jì)算嵌固端，即可以作為上部結(jié)構(gòu)力學(xué)嵌固端進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)的單獨(dú)計(jì)算，又可以作為設(shè)計(jì)意義上的嵌固端進(jìn)行嵌固部位上下結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算，這就給結(jié)構(gòu)分析工作帶來(lái)極大的便利。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，往往需要根據(jù)工程具體情況分別進(jìn)行這樣兩種計(jì)算模型的分析計(jì)算，在工程設(shè)計(jì)中予以綜合考慮。

2 計(jì)算嵌固端的設(shè)定與條件

2.1 嵌固端設(shè)在地下室頂板處須滿(mǎn)足的主要條件

根據(jù)規(guī)范、規(guī)程條文及相關(guān)文獻(xiàn)，主要條件有以下幾點(diǎn):

(1)地下室必須是四周覆土且回填土滿(mǎn)足夯實(shí)要求的全埋式地下室。當(dāng)坡地建筑的地下室為三面覆土一面敞開(kāi)時(shí)，即使地下一層與地上一層的側(cè)向剛度比等條件滿(mǎn)足要求，也不能將地下室頂板作為嵌固部位。

(2)地下室頂板避免開(kāi)設(shè)大洞口，地下室在地上結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍內(nèi)的頂板應(yīng)采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，其樓板厚度與鋼筋配置滿(mǎn)足構(gòu)造要求[1][2]。

(3)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[1][2]。

(4)地下一層不能設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件[5]。

(5)地下室頂板與室外地坪高差不能太大，一般宜小于本層層高的1/3。如果高差過(guò)大，相當(dāng)于此處存在一個(gè)錯(cuò)層，對(duì)水平力傳遞非常不利[6]。

2.2 地下室頂板滿(mǎn)足設(shè)置條件時(shí)嵌固端的設(shè)定

當(dāng)?shù)叵率翼敯鍧M(mǎn)足設(shè)置條件情況時(shí)，嵌固端宜設(shè)在地下室頂板處。這樣設(shè)置，不論是帶地下室整體計(jì)算還是在嵌固端切開(kāi)上下部分別計(jì)算，計(jì)算模型與實(shí)際情況都較為吻合，設(shè)計(jì)概念清楚。由于地上一層為嵌固層，落實(shí)相關(guān)嵌固層的抗震措施范圍小，處理簡(jiǎn)單。

2.3 地下室頂板不滿(mǎn)足設(shè)置條件時(shí)嵌固端的設(shè)定

僅有一層地下室時(shí)，嵌固端取基礎(chǔ)構(gòu)件頂部。

當(dāng)有多層地下室時(shí)，如果側(cè)向剛度比不滿(mǎn)足條件，地下二層頂板作為嵌固部位即可，不必要再往下延伸，但地下二層頂板須滿(mǎn)足嵌固部位的樓板要求。此時(shí)也無(wú)需進(jìn)行地下二層與地下一層的側(cè)向剛度比控制，因?yàn)榈叵露又車(chē)恋膫?cè)限約束，此處結(jié)構(gòu)已滿(mǎn)足限定水平側(cè)移的要求。

如果地下二層頂板還存在大開(kāi)洞或設(shè)有轉(zhuǎn)換構(gòu)件等問(wèn)題，則嵌固部位應(yīng)再往下延伸。

3 帶地下室整體分折時(shí)的相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 嵌固端設(shè)在地下室頂板處時(shí)上下層側(cè)向剛度比控制要求與計(jì)算判別

各種版本標(biāo)準(zhǔn)(包括地方標(biāo)準(zhǔn))的控制要求不盡相同，如《抗規(guī)》和《高規(guī)》均要求地上一層與地下一層側(cè)向剛度比不宜大于0.5，而《地規(guī)》和《上海市建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]則有所放松。本著執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)從嚴(yán)的原則，我省工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)執(zhí)行《抗規(guī)》和《高規(guī)》的規(guī)定。由于各版本標(biāo)準(zhǔn)要求不同，所以目前使用的大部分計(jì)算軟件不會(huì)自動(dòng)確定嵌固端所在部位，須由設(shè)計(jì)人員自行判別確定。

進(jìn)行上下層側(cè)向剛度比計(jì)算判別時(shí)，地下室計(jì)算范圍可考慮地上結(jié)構(gòu)以外的地下室相關(guān)部位。所謂“相關(guān)部位”，《抗規(guī)》和《高規(guī)》的規(guī)定略有不同?！犊挂?guī)》為按地上結(jié)構(gòu)外延不大于20m，《高規(guī)》為按地上結(jié)構(gòu)外擴(kuò)超過(guò)地上結(jié)構(gòu)三跨，建議按雙控處理。

根據(jù)《高規(guī)》5.3.7條文說(shuō)明，應(yīng)采用剪切剛度進(jìn)行側(cè)向剛度比判別。以SATWE計(jì)算軟件為例，計(jì)算后可查看SATWE計(jì)算軟件輸出結(jié)果WMASS.OUT文件，以文件中的Ratx、Raty指標(biāo)是否不大于0.5作為判別依據(jù)。

3.2 關(guān)于回填土對(duì)地下室的約束作用

SATWE計(jì)算軟件提供了兩種考慮回填土對(duì)地下室的約束作用的方法，分別為指定地下室水平嵌固層法和m值法。

“指定地下室水平嵌固層法”即指定地下室某層沒(méi)有水平位移，是過(guò)去軟件常用的方法。

“m值法”即指定土層水平抗力系數(shù)，程序通過(guò)該系數(shù)自動(dòng)計(jì)算每層地下室所受到的土層約束，該約束剛度只與埋深和土質(zhì)相關(guān)，而與結(jié)構(gòu)的自身剛度無(wú)關(guān)，可以模擬隨著埋深增加土的約束作用增強(qiáng)的效果?！癿值法”較“指定地下室水平嵌固層法”更為合理，可以體現(xiàn)實(shí)際的回填土約束，避免地下室某層出現(xiàn)內(nèi)力較大突變的情況。SATWE計(jì)算軟件用戶(hù)手冊(cè)[7]建議，m值可以參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94－2008)表5.7.5的灌注樁項(xiàng)來(lái)取值。在我省的軟土地層中，考慮到基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響和回填土密實(shí)度等因素，m值取3～6較為適宜。

m值的大小與嵌固端的設(shè)置條件并無(wú)關(guān)聯(lián)，同時(shí)也不影響SATWE軟件計(jì)算中地下一層與地上一層側(cè)向剪切剛度比的判別結(jié)果。

當(dāng)側(cè)向剪切剛度比不滿(mǎn)足要求，嵌固端不設(shè)在地下室頂板時(shí)，由于回填土的約束作用在地下室頂板處仍存在或弱或強(qiáng)的被嵌固效果，地震災(zāi)害分析報(bào)告也表明絕大多數(shù)工程的地上一層屬于結(jié)構(gòu)的最薄弱部位。所以SATWE軟件對(duì)于地上一層無(wú)論是否嵌固層，均按嵌固層進(jìn)行設(shè)計(jì)控制，即滿(mǎn)足規(guī)范、規(guī)程中關(guān)于“柱根”、“墻底”等的要求。

如果存在開(kāi)設(shè)地下室中庭、半地下室等回填土約束減小或消失的情況，除嵌固端下移外，尚應(yīng)在SATWE軟件地下室參數(shù)“扣除地面以下幾層的回填土約束”中填入相應(yīng)的層數(shù)。

3.3 底部嵌固層與相鄰上層側(cè)向剛度比要求

《高規(guī)》3.5.2條第2款規(guī)定，底部嵌固層與相鄰上層側(cè)向剛度比不宜小于1.5，否則該層為軟弱層。在帶地下室的整體分折計(jì)算時(shí)，如果嵌固層不在最底層，由于嵌固部位不能達(dá)到完全力學(xué)嵌固要求，有可能出現(xiàn)不滿(mǎn)足上述要求的情況，這也是SATWE計(jì)算軟件對(duì)非最底層的嵌固層不按1.5剛度比進(jìn)行設(shè)計(jì)控制的原因。針對(duì)這種情況，在設(shè)計(jì)中應(yīng)單獨(dú)建立嵌固端以上部分的結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行底部嵌固層與相鄰上層側(cè)向剛度比計(jì)算分析，判斷底部嵌固層是否為軟弱層。

3.4 應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

(1)分別采用振型分解反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法、推覆計(jì)算法計(jì)算時(shí)，計(jì)算模型的嵌固部位需一致。

(2)在時(shí)程分析選擇地震波時(shí)，宜單獨(dú)建立嵌固端以上結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行地震波“在統(tǒng)計(jì)意義上相符”的判定。

(3)剪力墻底部加強(qiáng)部位的高度應(yīng)從地下室頂板算起;當(dāng)結(jié)構(gòu)計(jì)算嵌固端位于地下一層底板或以下時(shí)，底部加強(qiáng)部位宜延伸到計(jì)算嵌固端。目前SATWE計(jì)算軟件在確定剪力墻底部加強(qiáng)部位的起始層和高度時(shí)，均能滿(mǎn)足上述要求，并在多塔定義中提供了修改功能，必要時(shí)可進(jìn)行調(diào)整。

(4)對(duì)于框剪結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)中框架剪力需要根據(jù)0.2Vo或1.5Vf、max進(jìn)行調(diào)整的結(jié)構(gòu)，調(diào)整起始層應(yīng)取在嵌固層。

(5)多墻或少墻框剪結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總傾覆力矩的比值確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法時(shí)，應(yīng)取嵌固層的比值作為判斷依據(jù)。

(6)允許嵌固層以下二層起逐層調(diào)低抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)，但不應(yīng)低于四級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)與計(jì)算軟件的進(jìn)步，使地下室參與整體分折計(jì)算成為可能，但也帶來(lái)嵌固端的正確設(shè)定和相關(guān)設(shè)計(jì)控制等問(wèn)題。因此，我們必須正確地理解結(jié)構(gòu)嵌固端的設(shè)計(jì)概念，準(zhǔn)確地運(yùn)用計(jì)算軟件提供的條件與功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析與工程設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)嵌固端及相關(guān)設(shè)計(jì)控制滿(mǎn)足規(guī)范、規(guī)程要求。

[1]GB50011－2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JGJ3－2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[3]GB50010－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]GB50007－2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]DGJ08－9－2013，上海市建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]沈耀軍.結(jié)構(gòu)嵌固層的判定與設(shè)計(jì)控制.第二十三屆全國(guó)高層建筑技術(shù)交流會(huì)論文集.

[7]SATWE多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件用戶(hù)手冊(cè).中國(guó)建筑科學(xué)研究院.