探究高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端的選取

文/崔艷東 大連民用建筑設(shè)計(jì)院研究有限公司 遼寧大連 116000

嵌固端就是預(yù)期塑性鉸出現(xiàn)的部位，結(jié)構(gòu)下部的嵌固部位應(yīng)能限制結(jié)構(gòu)上部構(gòu)件在水平方向的平動(dòng)位移和轉(zhuǎn)角位移，并將上部的結(jié)構(gòu)剪力全部傳給下部結(jié)構(gòu)，因此對(duì)作為主體結(jié)構(gòu)嵌固部位的地下室樓層的整體剛度和承載力加以控制，使塑性鉸出現(xiàn)在預(yù)定的部位。

在對(duì)高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算之前，首先必須確定結(jié)構(gòu)嵌固端的所在位置，因?yàn)椴煌那豆潭宋恢脤⒅苯佑绊懻麄€(gè)體系的自振周期、地下室抗震等級(jí)、水平荷載下的側(cè)向位移及地震作用分配和內(nèi)力控制截面的變化，直接導(dǎo)致構(gòu)件不同的配筋結(jié)果，將對(duì)整個(gè)建筑的安全產(chǎn)生影響。因此對(duì)結(jié)構(gòu)嵌固端的選取作進(jìn)一步探討。

1、與嵌固端相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題

1.1　大底盤多塔樓

大底盤多塔樓大多為商住綜合體，而且由于商用及居住性質(zhì)不同，對(duì)柱網(wǎng)的要求也不同，故通常需設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。當(dāng)大底盤的商用部分層數(shù)不多（如僅1-2層），且結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)于大底盤的屋頂標(biāo)高處時(shí)，塔樓的嵌固端就可考慮取在大底盤的屋頂處，至少在塔樓初算時(shí)可以如此假定。這一考慮基于以下兩點(diǎn)：①既然屬大底盤，其樓層面積肯定大于塔樓的投影面積，加上大底盤屋頂設(shè)置轉(zhuǎn)換層，故大底盤的樓層平面剛度遠(yuǎn)大于塔樓的樓層剛度；②轉(zhuǎn)換層之上通常為剪力墻結(jié)構(gòu)，為使轉(zhuǎn)換層上下部的側(cè)向剛度相近，大底盤部分肯定要將原位剪力墻增厚或增加新的剪力墻，從而使塔樓下的大底盤部分具有足夠的側(cè)向剛度。因此大底盤多塔樓建筑均以整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，其嵌固端也不像結(jié)構(gòu)初算階段選擇在大底盤屋頂標(biāo)高處。

1.2　首層樓面的活載作為結(jié)構(gòu)嵌固端的首層樓面（地下室頂板）

正常使用時(shí)的活載一般不太大，即使作為商業(yè)用途，其活載也僅為3.5kN/m2，但設(shè)計(jì)中要考慮施工過(guò)程中可能產(chǎn)生的施工荷載，對(duì)于首層梁板構(gòu)件取活載8.0-10.0kN/m2則往往是必要的。當(dāng)高層建筑主體結(jié)構(gòu)建至2層樓面時(shí)，首層地面必然就成為施工場(chǎng)所，或用于堆放材料，或用于鋼筋加工，甚至作為載重汽車的行駛停放場(chǎng)等，即使是臨時(shí)荷載，其樓面活載也就有必要取較高值（該活載值僅作用于該層梁板，并不需傳給豎向構(gòu)件的墻柱）。

1.3　單層地下室

當(dāng)高層建筑僅設(shè)單層地下室且底板采用天然地基筏板基礎(chǔ)或樁筏基礎(chǔ)時(shí)，通常選擇基礎(chǔ)底板而非首層作為結(jié)構(gòu)嵌固端，這有利于充分利用其基礎(chǔ)的“無(wú)限”剛度，為首層樓面的靈活結(jié)構(gòu)選型創(chuàng)造條件，即使是首層樓面留有大孔洞，或選用無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)，都不影響結(jié)構(gòu)計(jì)算的準(zhǔn)確性。此外，規(guī)范規(guī)定地下室負(fù)一層的抗震等級(jí)與上部結(jié)構(gòu)必須一致，以基礎(chǔ)底板作為嵌固端不會(huì)造成地下室結(jié)構(gòu)造價(jià)的提高，反而可能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。即使單層地下室底板是以樁為基礎(chǔ)的普通梁板結(jié)構(gòu)，一般情況下仍然取底板處為結(jié)構(gòu)嵌固端，唯一例外的是地下室作為抗爆級(jí)別較高的防空地下室時(shí)，其頂板通常具有作為結(jié)構(gòu)嵌固端的剛度，因此可取其作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。

1.4　高層建筑的基礎(chǔ)埋深

在研究探討高層建筑的結(jié)構(gòu)嵌固端時(shí)，必然牽涉到其基礎(chǔ)埋深問(wèn)題，高層建筑基礎(chǔ)要具有一定的埋置深度，首先是為了保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定（包括抗滑），其次有利于減弱地震反應(yīng)。規(guī)范對(duì)高層建筑的基礎(chǔ)埋深有一量化規(guī)定，即“天然地基或復(fù)合地基基礎(chǔ)，可取1/15，樁基礎(chǔ)可取1/18”，但這一規(guī)定僅與建筑物的總高度有關(guān)，而與其它因素?zé)o關(guān)。

2、地下室嵌固在設(shè)計(jì)軟件中的實(shí)現(xiàn)

目前，國(guó)內(nèi)常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件大致可以分為大型通用有限元分析軟件SAP2000和基于桿件模型的三維分析軟件如中國(guó)建筑科學(xué)研究院研發(fā)的PKPM系列軟件中的SATWE等。工程應(yīng)用中常用類似PKPM中的SATWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核，使得結(jié)構(gòu)設(shè)帶地下室的高層建筑結(jié)構(gòu)的整體模型中的各種計(jì)算要素及假設(shè)如何在設(shè)計(jì)軟件中主要通過(guò)以下幾種方法實(shí)現(xiàn)：

2.1　限制位移法

SATWE：輸入地下室層數(shù)，將地下室信息中“回填土對(duì)地下室的約束相對(duì)剛度比”填為地下室層數(shù)參數(shù)。地下室層號(hào)從下往上數(shù)，該參數(shù)若為-2，表示嵌固在地下室倒數(shù)第2層的頂板上；若為-1，表示嵌固在最底一層地下室的頂板上。

2.2　彈簧剛度法

SATWE：無(wú)需直接輸入水平彈簧剛度的真實(shí)值，而是間接要求輸入“回填土對(duì)地下室約束作用的相對(duì)（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。

（1）以地下室底板作為嵌固端，取相對(duì)剛度比為0。這種方法相對(duì)比較保守，增加了結(jié)構(gòu)的計(jì)算高度，沒(méi)有考慮地下土體對(duì)地下室的側(cè)面嵌固作用，計(jì)算模型與實(shí)際情況有所誤差。（2）以地下室底板作為嵌固端，取相對(duì)剛度比為2～4，一般取3，此時(shí)相當(dāng)于將地下室水平位移約束70%～90%。這種方法對(duì)于地下室外的土壓力有一定的考慮，但是由于影響土對(duì)地下室的約束作用的因素很多且十分復(fù)雜，很難具體確定約束作用的大小，也很難量化，所以這種方法不夠精確。但地下室頂板為嵌固端示意圖是相對(duì)于不考慮土壓力或者認(rèn)為土壓力無(wú)限大的情況，這種方法稍好。（3）以地下室頂板作為嵌固端，取相對(duì)剛度比為5或者更大，則表示回填土約束剛度無(wú)限大，相當(dāng)于地下室完全嵌固模型。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，高層建筑在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算之前必須首先確定結(jié)構(gòu)嵌固端的所在位置，而嵌固端的選取卻面臨著各種不同情況，如不設(shè)地下室但基礎(chǔ)埋深較大；沒(méi)有地下室但其層數(shù)或多或少，且基礎(chǔ)形式不同等。根據(jù)以上情況正確選取其結(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，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(shí)性，以及結(jié)構(gòu)局部的經(jīng)濟(jì)性。

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