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

盧世霞 馮程程

（1.山東華景聯(lián)合建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東 青島 266033；2.青島集合工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山東 青島 266033）

1 對(duì)地下室嵌固作用的認(rèn)識(shí)

嵌固層，是以一個(gè)堅(jiān)硬、穩(wěn)定，可以牢固握裹住上部結(jié)構(gòu)的一個(gè)剛體，比如旗桿下面的臺(tái)座。嵌固層的作用是能限制上部結(jié)構(gòu)在水平方向的平動(dòng)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)嵌固端的形成。

1.1 嵌固水平位移法

嵌固水平位移法即通過(guò)考慮地下室水平位移的側(cè)向嵌固來(lái)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(jì)算主要有三種方法：

（1）地震剪力與地震層間位移比。是一種與外力有關(guān)的計(jì)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(dòng)而引起的本層剛體轉(zhuǎn)動(dòng)位移。

（2）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(shí)考慮剪切變形和彎曲變形的影響，但并沒(méi)有考慮上下層對(duì)本層的約束。

1.2 結(jié)構(gòu)軟件對(duì)地下室結(jié)構(gòu)的處理方法

（1）以地下室底板作為嵌固端，取相對(duì)剛度比為0。這樣的方式?jīng)]有對(duì)地下土體對(duì)整個(gè)地下室側(cè)面的嵌固作用的影響進(jìn)行考慮，從而增加了計(jì)算的高度，使得模型和實(shí)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(duì)剛度比為2～4，一般取3。這種方法對(duì)地下室外的土壓力有一定的考慮，但是由于土對(duì)地下室的約束作用的影響因素十分復(fù)雜，難以確定具體約束作用的大小，這種方法雖不夠精確，但是相比前一種方法稍好，也是目前工程界應(yīng)用最多的方法。

（3）取地下室嵌固端在地下室頂板處，地下室結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)分開(kāi)計(jì)算，或者整體計(jì)算，但是相對(duì)剛度比取5或者更大。這種方法假定地下室相對(duì)于水平位移和豎向位移完全被嵌固，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度有所增加，從而與實(shí)際情況有所差異。

1.3 地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的具體需求

如果將地下室頂板當(dāng)作上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，就應(yīng)當(dāng)使其具備足夠的平面內(nèi)剛度，這樣才能很好地傳遞地震基底的剪力。但是，目前不少建筑物主體結(jié)構(gòu)都同地下車(chē)庫(kù)相連通，而地下車(chē)庫(kù)又不止和一個(gè)建筑物相連。同時(shí)，因?yàn)檐?chē)庫(kù)頂一般有0.8～1.8米高度的覆土，使得地下車(chē)庫(kù)的頂板同主樓地下室的頂板存在著一定高差。如果將地下室頂板當(dāng)作上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，能夠讓結(jié)構(gòu)建立模型在很大程度上得到簡(jiǎn)化。地下室頂板能不能有效傳遞主樓地震基底的剪力，將是此種嵌固端位置合理性的關(guān)鍵。所以，在地下室頂板錯(cuò)層處進(jìn)行加腋加強(qiáng)是非常重要的。假定加腋處簡(jiǎn)化，則斜桿內(nèi)力為：

N=N1/cosα （1）

式中，N1是地下室頂板傳遞過(guò)程中所需要的主樓嵌固端基底反力；α則是所加腋同地下室頂板之間的夾角。由式（1）可得出，當(dāng)α為零時(shí)，也就是說(shuō)地下室頂板沒(méi)有錯(cuò)層，這時(shí)頂板能夠完全傳遞基底反力。當(dāng)然其依賴于樓板有足夠的平面內(nèi)剛度；當(dāng)α趨于90°時(shí)，即錯(cuò)層處未加腋，則N1均由錯(cuò)層處豎向構(gòu)件承擔(dān)。而錯(cuò)層越大，斜桿越長(zhǎng)，加腋處因局部加強(qiáng)過(guò)強(qiáng)，易造成其他部位的破壞。因樓板平面外剛度有限（其與樓板周邊所受約束有關(guān)），為了能夠有效地保證基底剪力正常傳遞，可以在上部結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力的豎向構(gòu)件處加設(shè)暗梁；在上部結(jié)構(gòu)建立模型的時(shí)候，對(duì)于主體結(jié)構(gòu)的地下一層來(lái)講，應(yīng)當(dāng)擁有足夠的抗側(cè)力剛度，這樣才能夠有效地減少基底剪力對(duì)地下室相關(guān)范圍內(nèi)構(gòu)件的影響。

2 嵌固端選取的技術(shù)問(wèn)題分析

2.1 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。

2.2 投影面積比例

高層塔樓在地下室頂板上的投影面積比例大小對(duì)首層作為嵌固端的結(jié)構(gòu)有著不同的影響。當(dāng)該比例=l時(shí)，若首層樓面符合作為嵌固端的其它條件，則該首層作為結(jié)構(gòu)嵌固端就毫無(wú)疑問(wèn)了，但當(dāng)上述投影面積比例＜l時(shí)，說(shuō)明地下室側(cè)限遠(yuǎn)離塔樓，塔樓發(fā)生的側(cè)向位移將波及首層樓面并使其發(fā)生變形，即使變形很小，但嚴(yán)格說(shuō)來(lái)首層作為嵌固端的剛度必然小于前一種情況，且變形又增大了上部結(jié)構(gòu)側(cè)移的計(jì)算值，同時(shí)首層骨架構(gòu)件也會(huì)由于自身的變形而產(chǎn)生附加內(nèi)力。作為有經(jīng)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)工程師，在實(shí)際設(shè)計(jì)中都會(huì)根據(jù)工程實(shí)際情況予以鑒別并作出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)處理。

3 結(jié)語(yǔ)

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，無(wú)論選擇哪個(gè)部位作為結(jié)構(gòu)嵌固端，都可以通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算程序獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，但我們期望的是計(jì)算結(jié)果較真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。為了達(dá)到這一目的，我們要依據(jù)實(shí)際情況和條件，合理的選擇結(jié)構(gòu)的嵌固端。