高層建筑上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的研究

劉 建

(湖北省工業(yè)建筑集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)咨詢分公司，湖北 武漢 430064)

0 前 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市高層建筑不斷增多，建筑功能復(fù)雜多樣，使得建筑結(jié)構(gòu)體系更復(fù)雜。根據(jù)建筑使用功能的需要及工程造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性，帶地下室的建筑已成建筑行業(yè)主流。高層建筑上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位是結(jié)構(gòu)計(jì)算中的一個(gè)重要假定，它不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)中某些構(gòu)件的內(nèi)力分配的準(zhǔn)確性，還影響結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)移的真實(shí)性及結(jié)構(gòu)的局部經(jīng)濟(jì)性[1]。

1 嵌固部位的概念

“嵌固部位”在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是一個(gè)“區(qū)域”概念，而不是理論上的“嵌固點(diǎn)”或“嵌固端”。“嵌固端”是指力學(xué)意義上的約束端，它強(qiáng)調(diào)的是一個(gè)“嵌固點(diǎn)”，各向位移完全約束，使之不能有任何位移，屬于力學(xué)概念，即力學(xué)中的固接。固接是指完全剛性的固定，固接點(diǎn)以下剛度無限大，固接點(diǎn)無平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)。但實(shí)際的結(jié)構(gòu)不具備這樣的點(diǎn)，只有相對(duì)位移較小的點(diǎn)，所以嵌固也是相對(duì)的。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的“嵌固部位”是確保塑性鉸出現(xiàn)的部位，它強(qiáng)調(diào)的是強(qiáng)度概念，上部結(jié)構(gòu)的嵌固是強(qiáng)度嵌固。當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，強(qiáng)度嵌固可理解為地下室抗側(cè)力結(jié)構(gòu)及周邊填土的總剛度達(dá)到限制上部結(jié)構(gòu)水平及豎向位移而不限制其轉(zhuǎn)角位移的能力，使上部結(jié)構(gòu)柱的塑性鉸出現(xiàn)在地上一層的下端，而不出現(xiàn)在梁柱節(jié)點(diǎn)的梁端及下柱上端，以達(dá)到嵌固部位的“強(qiáng)梁弱上柱”機(jī)制[2]。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí)，結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)部位明確，地下室加強(qiáng)范圍高度較小，嵌固部位在地下室頂板是最經(jīng)濟(jì)的選擇。只有地下室才具備對(duì)上部結(jié)構(gòu)嵌固的基本條件，上部其他樓層(如裙房頂處)，即使?jié)M足剛度比要求也不能成為其上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，應(yīng)按剛度突變樓層考慮[3]。

2 國(guó)家規(guī)范中對(duì)嵌固部位的規(guī)定

2.1 側(cè)向剛度比的規(guī)定

結(jié)構(gòu)的嵌固問題，本質(zhì)上是嵌固部位上下層的側(cè)向剛度比問題。計(jì)算模型所取的嵌固部位不同，上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果也有較大差異。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)(2016年版)(以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)中第6.1.14條第2款：地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí)，地上1層的側(cè)向剛度，不宜大于相關(guān)范圍地下1層側(cè)向剛度的0.5倍[4]。

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)(以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)中第5.3.7條：高層建筑結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中，當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，地下1層與首層側(cè)向剛度比不宜小于2[5]。

《高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》(JGJ6—2011)(以下簡(jiǎn)稱《筏基規(guī)范》)中第6.1.3條第2款：在地下室的四周外墻與土層緊密接觸的前提下，上部結(jié)構(gòu)為框架、框架-剪力墻或框架-核心筒結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)采用筏形基礎(chǔ)的單層或多層地下室以及采用箱形基礎(chǔ)的多層地下室，當(dāng)?shù)叵?層的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度KB大于或等于與其相連的上部結(jié)構(gòu)底層樓層側(cè)向剛度KF的1.5倍時(shí)，地下1層結(jié)構(gòu)頂板可作為的結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位[6]。

2.2 抗震措施及構(gòu)造措施的規(guī)定

上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位的抗震措施及構(gòu)造措施詳見《抗規(guī)》中第6.1.3條，6.1.14條及《高規(guī)》中第12.2.1條，限于篇幅，不在此贅述。

3 剛度比的計(jì)算方法

《抗規(guī)》未給出判斷上部結(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)的側(cè)向剛度計(jì)算方法，《高規(guī)》中5.3.7條條文說明指出樓層側(cè)向剛度比可按本規(guī)程附錄E.0.1條公式計(jì)算。根據(jù)《高規(guī)》相關(guān)公式可總結(jié)出側(cè)向剛度比的計(jì)算方法。

3.1 方案階段及初步設(shè)計(jì)階段

在方案階段及初步設(shè)計(jì)階段可按下式采用手工估算等效剪切剛度比γe：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，γe為地下第i層與地上第1層的等效剪切剛度比；K1、K-i為分別為地上第1層和地下第i層的等效剪切剛度；G1、G-i為分別為地上第1層和地下第i層的混凝土剪變模量，N/mm2；A1、A-i分別為地上第1層和地下第i層的折算抗剪截面面積，m2；Aw,1、Aw,-i分別為地上第1層和地下第i層全部剪力墻在計(jì)算方向的有效截面面積(不含翼緣面積)，m2；Ac1,j、Ac-i,j分別為地上第1層第j根柱和地下第i層第j根柱的截面面積，m2；h1、h-i分別為地上第1層和地下第i層的層高，m；hc1,j、hc-i,j分別為地上第1層第j根柱和地下第i層第j根柱沿計(jì)算方向的截面高度，m；C1,j、C-i,j分別為地上第1層第j根柱和地下第i層第j根柱截面面積折算系數(shù)，當(dāng)計(jì)算值大于1時(shí)取1。

3.2 施工圖設(shè)計(jì)階段

應(yīng)采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件建立含上部結(jié)構(gòu)和地下室的結(jié)構(gòu)模型，使用電算結(jié)果按下式計(jì)算側(cè)向剛度比γ：

(6)

3.3 剛度比計(jì)算的幾點(diǎn)說明

1)計(jì)算地下室側(cè)向剛度時(shí)，可考慮地上結(jié)構(gòu)以外的地下室相關(guān)范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)，“相關(guān)范圍”指地上主體結(jié)構(gòu)(不含大面積裙房)外擴(kuò)不超過三跨且不大于20 m的地下室范圍。

3)有多層地下室剛度比計(jì)算時(shí)，一定是地下室某層的剛度與地上1層的剛度的比值，當(dāng)?shù)叵?層與地上1層剛度比不滿足要求時(shí)，應(yīng)接著驗(yàn)算地下2層與地上1層的剛度比，而不能取地下2層與地下1層的剛度比進(jìn)行判斷嵌固部位。確定嵌固部位考察的是地下室對(duì)上部結(jié)構(gòu)的嵌固作用，剛度比始終是對(duì)上部結(jié)構(gòu)首層的比值。

4)《筏基規(guī)范》中規(guī)定地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端時(shí)，地下室(含上部結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍結(jié)構(gòu))與上部1層側(cè)向剛度比不小于1.5，但未給出側(cè)向剛度的計(jì)算方法，且要求地下室的四周外墻與填土緊密接觸。由于施工時(shí)肥槽回填質(zhì)量不便控制，在此不探討《筏基規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。

4 確定嵌固部位的其他因素

除上述剛度比不滿足要求時(shí)地下室頂板不能作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端外，還應(yīng)結(jié)合以下因素來確定上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位。

4.1 地下室頂板開洞

地下室頂板少量開洞后，樓板剛度削弱，導(dǎo)致洞口周邊塔樓豎向構(gòu)件的水平力通過樓板的傳遞途徑重分布，對(duì)洞口周邊的梁、板加強(qiáng)是有必要的；當(dāng)?shù)叵率翼敯彘_大洞時(shí)，地下室頂板能否作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端需要做專門的分析論證來確定[8]。

4.2 地下室頂板處高差過大

文獻(xiàn)[2]提出，當(dāng)高差小于地下室層高的1/3時(shí)，可采取加強(qiáng)措施來保證地下室頂板的連續(xù)性，使其符合嵌固部位的要求；當(dāng)高差大于地下室層高的1/3時(shí)，應(yīng)慎重考慮地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的合理性。

4.3 構(gòu)造要求

當(dāng)嵌固端的構(gòu)造要求不能滿足《抗規(guī)》中第6.1.3條，6.1.14條及《高規(guī)》中第12.2.1條的規(guī)定時(shí)，不建議作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位。

5 工程案例

5.1 工程概況

湖北省襄陽市某小區(qū)，設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，Ⅱ類場(chǎng)地，基本風(fēng)壓0.35kN/m2，地面粗糙度為B類，地下1層大面積地下室上多棟塔樓，其中3#樓為地上28層。因地下室可能開大洞口，現(xiàn)分別將地下室頂板作為與不作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析，其中地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)的模型中含上部結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，地下室頂板不作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)的模型中不含上部結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，采用YJK1.9.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算。

5.2 自振周期

地下室頂板作為與不作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，3#樓自振周期見表1。

表1 各模型的自振周期 單位：s

表1數(shù)據(jù)表明地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，結(jié)構(gòu)的兩個(gè)平動(dòng)周期與扭轉(zhuǎn)周期均有所下降。

5.3 等效剪切剛度比

地下室頂板作為與不作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，3#樓的等效剪切剛度比見表2。

表2 各模型的等效剪切剛度比

注：上表的剛度比不能用于豎向規(guī)則性的判斷，判別豎向不規(guī)則時(shí)應(yīng)按《高規(guī)》中3.5.2條規(guī)定執(zhí)行。

計(jì)算表明，兩種模型的上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋率也有較大差異。

6 結(jié) 論

詳細(xì)分析了嵌固部位的概念，總結(jié)了國(guó)家相關(guān)規(guī)范對(duì)嵌固部位的規(guī)定，得出了適用于確定嵌固部位的剛度比計(jì)算方法，討論了影響嵌固部位的其他因素，給出了工程案例，研究表明：同一項(xiàng)目因嵌固部位的不同會(huì)影響結(jié)構(gòu)的整體指標(biāo)及結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成果也有較大差別。實(shí)際工程中，上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的確定較為復(fù)雜、困難，建議采用包絡(luò)設(shè)計(jì)法，進(jìn)行不同嵌固部位的多種模型分析計(jì)算，取不利情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。