帶地下室結(jié)構(gòu)高層建筑嵌固端選取問題探究

周建民

【摘 要】隨著城市建筑向密集性、空間型發(fā)展，使得高層建筑在進(jìn)行前期整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)劃時，為了保證結(jié)構(gòu)、造價、安全以及穩(wěn)定性等綜合性能，因此對嵌固端的位置選取就極為重要。本文以高層建筑嵌固端的選取為研究對象，對影響嵌固端的建筑結(jié)構(gòu)剛度、建筑框架結(jié)構(gòu)、非周邊約束等因素進(jìn)行分析，為高層建筑嵌固端選取提供一定的借鑒和參考價值。

【關(guān)鍵詞】高層結(jié)構(gòu)；嵌固端；地下室結(jié)構(gòu)；空間剛度；整體穩(wěn)定性；水平位移

中圖分類號： TU973.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）35-0172-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.074

0 引言

隨著國家對建筑用地加大宏觀調(diào)控，加上高層建筑是衡量一個城市發(fā)展程度的重要標(biāo)志，使得高層建筑在我國各個城市新建建筑所占的比例越來越多，成為城市發(fā)展成果的炫彩名片，往往成為城市的地標(biāo)和繁榮的象征，同時也是向界展示城市發(fā)展的重要窗口。隨著這些年全世界氣候變化情況多端，特別是我國這些年發(fā)生的破壞性自然災(zāi)害增多，如地震、洪水等，這些自然災(zāi)害對城市高層建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性構(gòu)成了巨大的威脅。地震對高層建筑的破壞機(jī)理，從目前國內(nèi)外研究和工程實(shí)踐情況來說，還是處于探索和實(shí)踐階段，沒有形成一個完整的理論和實(shí)踐體系，能完完全全解決自然災(zāi)害對高層建筑帶來的毀滅性的打擊問題。高層建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布情況，整體結(jié)構(gòu)剛度在設(shè)計(jì)和計(jì)算的局限性以及在進(jìn)行設(shè)計(jì)時對結(jié)構(gòu)所受外界條件設(shè)置時所進(jìn)行的簡化，都影響到建筑結(jié)構(gòu)整體的安全性。目前大部分高層建筑都有地下結(jié)構(gòu)，主要是用作地下停車室和維持整個建筑正常發(fā)揮其功能的設(shè)備用房，這使得高程建筑在設(shè)計(jì)時增加了基礎(chǔ)的深度，這能提高高層建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗傾覆能力。

在進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)的過程中，高層建筑嵌固端的選擇是尤為重要的一項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，并且嵌固端的位置在進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)時應(yīng)該首先考慮到，然后再根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行其他結(jié)構(gòu)，如剪力墻、梁等結(jié)構(gòu)的大小、尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。高層建筑的特點(diǎn)是建筑物必須要有足夠的地基基礎(chǔ)，才能承受建筑的整體受力，而高層建筑地下室是高層建筑的橋梁，承受和傳遞高層建筑受到的外力載荷，使其能夠產(chǎn)生滿足設(shè)計(jì)要求的剛度和抵抗能力。嵌固端是高層建筑在設(shè)計(jì)時一個重要的設(shè)計(jì)假定，其結(jié)構(gòu)和位置影響到整體結(jié)構(gòu)中某些構(gòu)件的內(nèi)力分布情況，這就會進(jìn)一步影響結(jié)構(gòu)在外力作用下產(chǎn)生的側(cè)移的真實(shí)情況以及整體結(jié)構(gòu)的造價費(fèi)用。

1 高層建筑地下室承載情況對嵌固端的選擇

高層建筑在城市空間的位置受到各種約束，而建筑的功能卻越來越多，也越來越復(fù)雜，這就使得高層建筑結(jié)構(gòu)越來越多樣化，也使嵌固端的選擇越來越科學(xué)化。地下室在結(jié)構(gòu)上來說，與上部結(jié)構(gòu)形成一個整體，在進(jìn)行力學(xué)分析時，就形成一個共同的位移和變形場，各自的變形機(jī)理相互影響、相互約束和相互協(xié)調(diào)。地下室結(jié)構(gòu)的回填土對整體建筑結(jié)構(gòu)的變形有一定的約束作用，因此常常將地下室結(jié)構(gòu)、地基等作為一個整體進(jìn)行分析，能較好地進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，同時也能減少相關(guān)的設(shè)計(jì)和建造費(fèi)用。

地下室是連接地基與上部結(jié)構(gòu)的橋梁，地下室結(jié)構(gòu)主要承受的載荷有：上部建筑自身的重量、水平載荷、地下室自重以及土壓力等。地下室與上部結(jié)構(gòu)組成一個完整的體系結(jié)構(gòu)，使能夠有很好地承受作用力的關(guān)系，這樣可以在進(jìn)行靜力學(xué)平衡分析時，可以進(jìn)行有效地簡化，而且能得到與工程實(shí)踐相吻合的結(jié)果。當(dāng)高層建筑采用天然筏板基礎(chǔ)時，可以選擇基礎(chǔ)底板作為結(jié)構(gòu)嵌固端，這是由于天然地基筏板基礎(chǔ)具有“無限”剛度，能為首層樓面創(chuàng)造良好的結(jié)構(gòu)條件，與此同時也不會影響其在進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析的準(zhǔn)確性。

2 地下室頂板開洞對高層結(jié)構(gòu)嵌固端的影響

高層建筑地下室結(jié)構(gòu)與地基相連，是建筑上層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，這樣可以為高層建筑提供合理、安全和可靠的嵌固結(jié)構(gòu)，還可以作為建筑連接的橋梁，將地基與上層建筑能夠很好地連接在一起，形成一個整體結(jié)構(gòu)，最終將整個高層建筑整體的重心降低，有助于提高高層建筑的抗傾覆能力，于此同時也能增加上層建筑整體的穩(wěn)定性。地下室作為高層建筑最底層的結(jié)構(gòu)，需要在頂板上進(jìn)行開洞來滿足設(shè)計(jì)的需要，同時也是為了達(dá)到建筑物所需要的特定功能。地下室頂板開洞將會降低整體結(jié)構(gòu)的剛性，使其抗變形能力減弱，最終會對上部結(jié)構(gòu)的嵌固作用造成一定的影響。地下室頂板開洞主要包括開洞位置、開洞尺寸和開洞形式等，這將會對高層建筑嵌固端產(chǎn)生影響。

2.1 開洞尺寸對嵌固端的影響

高層建筑受到建筑具體功能的影響時，需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行開洞，開孔尺寸大小將影響到頂板的剛度，并且還會降低嵌固上部結(jié)構(gòu)的能力。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)在受到外部載荷時，地下室頂板開洞尺寸越大，其建筑的結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量分布等將會受到影響，最終將會影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

2.2 開洞形式對嵌固端的影響

高層建筑結(jié)構(gòu)地下室頂板在洞口的不同形狀、個數(shù)、布置方式等將對嵌固端產(chǎn)生影響。頂板開洞的布置方式會對結(jié)構(gòu)整體剛度變化產(chǎn)生不一樣的影響。洞口的個數(shù)太多，會使頂板的變形量變大，將會使頂板的最大應(yīng)力較為集中，在洞口出現(xiàn)明顯地應(yīng)力集中現(xiàn)象，這將影響整體建筑的穩(wěn)定性，使得抗傾覆能力削弱，使建筑發(fā)生坍塌的風(fēng)險加大。

2.3 開洞位置對嵌固端的影響

在對嵌固端進(jìn)行布置時，應(yīng)避免在洞口進(jìn)行布置。當(dāng)不可避免地在頂板上部設(shè)置洞口時，應(yīng)將洞口對稱地布置在地下室頂板的中間對稱處，雖然局部建筑剛度能滿足要求，但是建筑整體的剛度要求將無法得到保障，最終將無法保證嵌固端完整地發(fā)揮其作用。在進(jìn)行嵌固端布置時，將根據(jù)實(shí)際情況選擇在地下室頂板的合適位置，這樣才能較好地發(fā)揮嵌固端的作用。

3 非周邊約束地下室高層結(jié)構(gòu)嵌固端選擇

復(fù)雜的地理環(huán)境，使得城市高層建筑在進(jìn)行設(shè)計(jì)時將考慮更多的實(shí)際情況，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析時將稱之為非周邊約束條件。在帶有地下室和具有非周邊約束的高層建筑來說，其嵌固端的位置確定是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時必須要考慮的部分，其目的就是為了使建筑能夠承受外界環(huán)境的破壞，主要包括地震、風(fēng)載荷等自然環(huán)境的作用，將會對高層建筑的整體振動周期、水平和側(cè)向位移以及內(nèi)力分布產(chǎn)生不同程度的影響。在遇到非周邊約束的地下室頂板時，嵌固端的選擇主要是要在建筑物下層與上層之間能夠形成有效的塑性鉸，才能保證在地震作用和風(fēng)載荷等環(huán)境因素下能夠通過基礎(chǔ)將載荷傳遞到地基中去，這樣就能減輕結(jié)構(gòu)受到集中載荷而造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的風(fēng)險。具體分析如下：

3.1 非周邊約束下地下室風(fēng)載荷作用分析

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，就必須考慮整體在受到強(qiáng)風(fēng)這一極端條件的影響，使得風(fēng)載荷是在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時不可忽視的邊界條件。而對于非周邊約束的高層建筑的地下室，風(fēng)載荷的起點(diǎn)應(yīng)為室外地坪處，而對于有山地形的高層建筑來說，應(yīng)該對風(fēng)載荷系數(shù)進(jìn)行修正，這樣才能真實(shí)地計(jì)算出風(fēng)載荷的影響，才能保證高層建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對于那些對應(yīng)面在室外地坪以下時，其受到土的天然約束作用，地下室臨空面在受到風(fēng)載荷時，能將風(fēng)載荷通過地下梁傳遞到土體中，使建筑結(jié)構(gòu)之間能夠較好地形成有效的塑性鉸，提高了整體結(jié)構(gòu)的抗變形能力，保證高層建筑整體的安全性。

3.2 非周邊約束地下室地震作用分析

地震發(fā)生時將產(chǎn)生巨大的能量，可以將高層建筑進(jìn)行摧毀。地震發(fā)生時，實(shí)際是地震作為一種波，可以產(chǎn)生橫波和縱波兩種波，根據(jù)橫波和縱波的傳播速度不同，使得建筑在受到地震波載荷作用時，產(chǎn)生左右晃動的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象就會使建筑結(jié)構(gòu)的地基帶動地下室結(jié)構(gòu)發(fā)生振動。故地下室就會存在橫向和縱向兩種移動方式。如果基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不合理，將會產(chǎn)生滑移和傾覆現(xiàn)象，地下室與地基出現(xiàn)相對運(yùn)動，影響整體結(jié)構(gòu)的完整性。

高層建筑處于非周邊約束條件下時，需要將在地下室頂板的上部建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行嵌固端布置。對于此種結(jié)構(gòu)的地下室結(jié)構(gòu)來說，需要滿足一定的設(shè)計(jì)和施工條件：（1）地下室結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。為了滿足建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)際施工考慮，需要在地下室與地下室頂板之間有封閉外墻的結(jié)構(gòu)，才能保證地下室結(jié)構(gòu)與相鄰結(jié)構(gòu)整體的剛度條件。（2）地下室在整體結(jié)構(gòu)的橫向和縱向上，至少保障在一側(cè)上能被完全地約束上，這樣才能保證結(jié)構(gòu)在受到外部載荷時，可以保證整體結(jié)構(gòu)整體地抗傾覆能力。地下層進(jìn)行加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣可以減少設(shè)計(jì)產(chǎn)生的費(fèi)用和設(shè)計(jì)周期。（3）剪力墻底進(jìn)行加強(qiáng)。在剪力墻底部進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，可以適當(dāng)?shù)靥岣呒袅Φ某休d能力，同時也能提高在受到地震作用時的抗地震能力，這樣可以在花費(fèi)較少的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本來達(dá)到避免墻肢受到外力作用而發(fā)生剪切破壞的情況，從而改善和提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能和抗風(fēng)載荷的傾覆能力。

4 結(jié)束語

總之，高層建筑在進(jìn)行設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析之前必須進(jìn)行對結(jié)構(gòu)嵌固端位置進(jìn)行確定，這對于高層建筑結(jié)構(gòu)在抵抗外部風(fēng)載荷、地震載荷等具有重要意義，能夠保證建筑結(jié)構(gòu)的完整性和使用性，也能對在進(jìn)行實(shí)際施工過程中有一定地參考作用，也會對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中控制成本有一個合理地正反饋?zhàn)饔谩?/p>

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳振.關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中地下室嵌固作用的思考[J].建筑，2011（18）：72-73.

[2]黃文穎.層高突變對高層建筑樓層剛度的影響及其對策[J].福建建設(shè)科技，2008（2）：14-16.

[3]JGJ94-2008.建筑樁基技術(shù)規(guī)范北京[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4]張志飛.帶地下室的高層建筑結(jié)構(gòu)底部約束條件的確定[J].工程與建設(shè)，2010（6）：74-75.

[5]張潔.地下室頂板作為高層建筑上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位的影響分析[J].建筑施工，2011（7）：560-562.