多高層混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算模型嵌固端的選取和設(shè)計(jì)探討

成兌

摘要：建筑結(jié)構(gòu)嵌固端位置的選取是非常重要的，而工程實(shí)踐中嵌固端的選取是非常復(fù)雜的問題。建筑結(jié)構(gòu)的嵌固端，是結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中的一個(gè)重要假定，它不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)中構(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(shí)性，以及結(jié)構(gòu)局部的經(jīng)濟(jì)性。本文探討了多高層建筑上部結(jié)構(gòu)嵌固端的選取和設(shè)計(jì)，以求達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并供設(shè)計(jì)同行參考。

關(guān)鍵詞：地下室；上部結(jié)構(gòu)；嵌固部位；相關(guān)范圍

一、嵌固端的定義

作為上部建筑結(jié)構(gòu)的嵌固部位，理論上應(yīng)具備以下兩個(gè)條件：（1）該部位的水平位移為零；（2）該部位的水平轉(zhuǎn)角為零。其工作機(jī)理是：嵌固端節(jié)點(diǎn)下的梁柱（板）構(gòu)件是不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的，嵌固端樓層平面內(nèi)更不允許產(chǎn)生水平位移，地震作用下結(jié)構(gòu)的屈服部位應(yīng)發(fā)生在嵌固端之上樓層。

二、嵌固端的選取

對(duì)多高層混凝土結(jié)構(gòu)的嵌固端的選取是比較復(fù)雜的，從實(shí)際工程上看，上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位是一個(gè)區(qū)域，而不是一個(gè)平面，只存在相對(duì)的嵌固，而沒有絕對(duì)的嵌固。

多高層建筑不設(shè)置地下室時(shí)，上部結(jié)構(gòu)通常以基礎(chǔ)頂面作為嵌固端，此時(shí)的嵌固端即是結(jié)構(gòu)的計(jì)算嵌固端也是抗震嵌固端。多高層建筑當(dāng)設(shè)置地下室時(shí)，上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算嵌固端是選取在地下一層頂板部位還是選取在地下其他層頂板部位，或者選取在基礎(chǔ)頂面，應(yīng)由地下室結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍內(nèi)的樓層側(cè)向剛度與相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層的側(cè)向剛度比、樓板開洞情況等條件確定。對(duì)于抗震嵌固端，根據(jù)資料和經(jīng)驗(yàn)顯示，設(shè)置地下室對(duì)結(jié)構(gòu)抗震是有利的，上部結(jié)構(gòu)大部分的地震水平剪力通過地下室各層樓板的水平傳遞，由地下室外墻的土壓力平衡，使地下室中的結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件（框架柱、剪力墻）承擔(dān)的水平地震剪力往地下逐層減少，同時(shí)，地下室擋土墻外側(cè)的回填土對(duì)地下室結(jié)構(gòu)的約束作用是相當(dāng)大的，一般情況下可按地下室結(jié)構(gòu)自身剛度的3～5倍近似考慮。因此，地下室頂板處對(duì)上部結(jié)構(gòu)的嵌固作用是客觀存在的，無論地下室頂板是否作為結(jié)構(gòu)的計(jì)算嵌固端，地下室頂板都是結(jié)構(gòu)的抗震嵌固端。計(jì)算嵌固端的選取只是人為對(duì)計(jì)算模型簡化的一種處理方式，而實(shí)際地下室頂板作為結(jié)構(gòu)的抗震嵌固端是不會(huì)因?yàn)槿藶橛?jì)算的某種假定而改變的，因此，我們認(rèn)為：對(duì)具有多層地下室的多結(jié)構(gòu)以地下室頂板作為抗震嵌固端或計(jì)算嵌固端，這種處理方案是比較經(jīng)濟(jì)的。

三、地下室頂板作為嵌固端應(yīng)滿足的相關(guān)條件

當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，為避免塑性鉸轉(zhuǎn)移到地下一層結(jié)構(gòu)，保證上部結(jié)構(gòu)在地震作用下能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的耗能機(jī)制，根據(jù)《高規(guī)》第5.3.7條規(guī)定：“高層建筑結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中，地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，地下一層與首層側(cè)向剛度比不宜小于2”，其條文說明中對(duì)側(cè)向剛度做了說明 ，“計(jì)算地下室結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度時(shí)，可考慮地上結(jié)構(gòu)以外的地下室相關(guān)部位的結(jié)構(gòu)，‘相關(guān)部位一般指地上結(jié)構(gòu)外不大于20米且超過三跨的地下室范圍。樓層側(cè)向剛度比可按本規(guī)程附錄E.0.1條公式計(jì)算”。

需值得一提的是，根據(jù)《地基規(guī)范》第8.4.25條對(duì)地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位還應(yīng)滿足，“當(dāng)?shù)叵率覂?nèi)、外墻與主體結(jié)構(gòu)墻體之間的距離符合表8.4.25要求時(shí)，該范圍內(nèi)的地下室內(nèi)、外墻可計(jì)入地下一層的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，但此范圍內(nèi)的側(cè)向剛度不能重疊使用于相鄰建筑。當(dāng)不符合上述要求時(shí)，建筑物的嵌固部位可設(shè)在筏形基礎(chǔ)的頂面，此時(shí)宜考慮基側(cè)土和基底土對(duì)地下室的抗力”。該條中地下室內(nèi)外墻與主樓剪力墻的距離要求可以理解為地下室上部結(jié)構(gòu)的相關(guān)范圍，可將該范圍的地下室內(nèi)外墻的剛度計(jì)入地下室層間側(cè)向剛度內(nèi)，但范圍內(nèi)的側(cè)向剛度不能重疊使用于相鄰的建筑。

地下頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端時(shí)，為使地下室頂板具有足夠的平面內(nèi)和平面外的剛度，限制構(gòu)件在兩個(gè)水平方向的平動(dòng)位移和轉(zhuǎn)角位移，并有效的將上部結(jié)構(gòu)的水平地震剪力全部傳給地下室結(jié)構(gòu)，《抗規(guī)》第6.1.14條，從樓板開洞、樓蓋混凝土強(qiáng)度等級(jí)、樓蓋結(jié)構(gòu)形式、樓板厚度、樓板配筋等全方位作了較為詳細(xì)的規(guī)定：“地下室頂板應(yīng)避免開設(shè)大洞口；地下室在地上結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍的頂板應(yīng)采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，相關(guān)范圍以外的地下室頂板宜采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)；其樓板厚度不宜小于180 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜小于C30，應(yīng)采用雙層雙向配筋，且每層每個(gè)方向的配筋率不宜小于0.25%”?？紤]框架柱在一層的下柱端出現(xiàn)塑性鉸而不是梁柱節(jié)點(diǎn)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)某休d力的方法來考慮柱底的嵌固。《抗規(guī)》第6.1.14條還規(guī)定：地下一層柱截面每側(cè)的縱向鋼筋面積除應(yīng)符合計(jì)算要求以外，不應(yīng)小于地上一層對(duì)應(yīng)柱每側(cè)縱向鋼筋面積的1.1倍（地下室柱子多出的縱向鋼筋不應(yīng)向上延伸，應(yīng)錨固于地下室頂板的框架梁內(nèi)），且地下一層柱上端和節(jié)點(diǎn)左右兩端實(shí)配的抗震承載力之和應(yīng)大于地上一層柱下端實(shí)配的抗震受彎承載力的1.3倍。地下一層抗震墻墻肢端部邊緣構(gòu)件縱向鋼筋的截面面積，不應(yīng)少于地上一層對(duì)應(yīng)墻肢端部邊緣構(gòu)件縱向鋼筋的面積。

四、地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端的處理

地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，為滿足嵌固剛度比的要求，通常在上部結(jié)構(gòu)及地下室上部結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍內(nèi)增大豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面剛度，或增設(shè)一定數(shù)量的補(bǔ)償剪力墻。增設(shè)的補(bǔ)償剪力墻應(yīng)結(jié)合地下室周邊擋土墻均勻布置，使上部結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍內(nèi)地下室結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量中心與上部結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量中心基本重合，減小因偏心產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。

地下室頂板室外區(qū)域因場(chǎng)地綠化覆土或市政管線要求降低標(biāo)高，導(dǎo)致地下室頂板不連續(xù)，不能有效的傳遞水平地震剪力，此時(shí)，地下室頂板不能成為有效的上部結(jié)構(gòu)嵌固部位，為滿足地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位可采取以下措施：

當(dāng)室內(nèi)外高差不大于地下一層層高的1/3且小于1.0m時(shí)，對(duì)高低跨位置的梁采取加寬截面、增大箍筋直徑、間距加密、樓板加腋等加強(qiáng)措施時(shí)（圖1所示），可認(rèn)為樓板連續(xù)，滿足嵌固端對(duì)樓板的要求。

（1）當(dāng)室內(nèi)外高差大于地下一層層高的1/3且大于1.0m，但不大于2m時(shí)，可采用降低主樓內(nèi)地面標(biāo)高（增加主樓首層層高，室內(nèi)采用回填輕質(zhì)材料至建筑標(biāo)高），使室內(nèi)外高差滿足不大于地下一層層高的1/3且小于1.0m。由于該做法增加了首層層高，上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算高度有所增加，對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算影響較大，且不經(jīng)濟(jì)，一般情況下不建議采用。實(shí)際工程中多采用加強(qiáng)高低跨位置處梁的同時(shí)，在高低跨位置處垂直于擋土墻的方向上，在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)加腋和主體結(jié)構(gòu)外加肋，并在肋上設(shè)連續(xù)斜板等措施（圖2所示），采取措施后可認(rèn)為樓板連續(xù)，滿足嵌固端對(duì)樓板的要求。

（2）當(dāng)室內(nèi)外高差大于2m時(shí)，可采用設(shè)置一層架空層，將嵌固部位設(shè)置在地下室大底盤頂板上，使地下一層與架空層的側(cè)向剛度比大于2。值得注意的是，由于地下室頂板室外覆土較高，為減小覆土對(duì)主體結(jié)構(gòu)的約束作用帶來的影響，可在上部結(jié)構(gòu)以外單獨(dú)設(shè)置擋土墻（圖3所示），使之與主體結(jié)構(gòu)脫開，這樣處理后結(jié)構(gòu)加強(qiáng)部位更為明確，計(jì)算也相對(duì)簡單明了。

對(duì)于多層地下室，當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，除地下一層與首層側(cè)向剛度比滿足規(guī)范要求外，還應(yīng)滿足地下二層相關(guān)范圍內(nèi)的側(cè)向剛度與地下一層側(cè)向剛度的比值不宜小于1.0，不滿足時(shí)，地下二層、三層相關(guān)范圍也應(yīng)增大其豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面剛度，或增設(shè)補(bǔ)償剪力墻等技術(shù)措施。

五、地下室頂板不能作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端的處理

在實(shí)際工程中，由于地下室頂板室內(nèi)外高差較大、地下室頂板存在大開洞、地下一層建筑使用功能的要求等，在負(fù)一層內(nèi)不能布置補(bǔ)償剪力墻，也不能增大其豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面剛度，地下室頂板作為結(jié)構(gòu)嵌固端的剛度比不能滿足要求時(shí)，對(duì)于多層地下室，可將結(jié)構(gòu)的計(jì)算嵌固部位設(shè)置在地下一層底板或基礎(chǔ)頂面，此時(shí)地下室頂板和地下一層樓板除宜同時(shí)執(zhí)行抗震嵌固端的相關(guān)要求外，還應(yīng)滿足下列條件：

（1）地下一層樓層的側(cè)向剛度比應(yīng)大于地上一層的側(cè)向剛度；

（2） 地下二層樓層的側(cè)向剛度應(yīng)大于地下一層的側(cè)向剛度，并且大于地上一層的側(cè)向剛度的2倍。

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，上部結(jié)構(gòu)計(jì)算帶入地下室與不帶入地下室對(duì)計(jì)算分析工作量影響不大。因此，工程設(shè)計(jì)中在計(jì)算上部結(jié)構(gòu)時(shí)，無論嵌固剛度比是否大于2，均應(yīng)帶入地下室相關(guān)模型，這樣計(jì)算結(jié)果也是最為合理的，最符合實(shí)際情況的。但對(duì)于大型復(fù)雜綜合體高層混凝土結(jié)構(gòu)的嵌固端是極其復(fù)雜的，通常應(yīng)采用不同的計(jì)算模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

六、結(jié)束語

本文探討了多高層建筑上部結(jié)構(gòu)嵌固端的選取和設(shè)計(jì)。對(duì)上部結(jié)構(gòu)嵌固部位提出了計(jì)算嵌固端和抗震嵌固端的概念，同時(shí)，還對(duì)地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端存在的問題提出了相應(yīng)的處理措施，對(duì)地下室頂板不能作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端情況也提出了處理方法，以供設(shè)計(jì)同行參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB 50011-2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]JGJ 3-2010.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]GB 50007-2011.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[4]張維斌.多層及高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)釋疑及工程實(shí)例.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[5]朱炳寅.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程應(yīng)用與分析.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.