高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端的分析與研究

牛 肖

(北京華銀建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100071)

一、引言

隨著城市建設(shè)的蓬勃發(fā)展，帶地下室的高層建筑越來(lái)越多，如何選擇嵌固端成為一個(gè)難題。一般情況下，取地下室頂板作為嵌固端的情況比較普遍，以地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，則地下室頂板結(jié)構(gòu)形式、頂板厚度、開(kāi)洞情況以及剛度比等均需滿足一定的要求[1]。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不滿足上述要求時(shí)，就要把嵌固端的位置下移，直到滿足剛度比，并對(duì)幾種不同嵌固部位的情況進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，取最不利設(shè)計(jì)值，使得到的計(jì)算結(jié)果更全面，更保守，更能反映工程當(dāng)中存在的實(shí)際問(wèn)題。

二、地下室頂板作為嵌固端的分析與研究

(一)地下室頂板作為嵌固端的條件及其計(jì)算

《高規(guī)》第5.3.7條規(guī)定:當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(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。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)外擴(kuò)不超過(guò)三跨的地下室范圍?！陡咭?guī)》明確指出，樓層側(cè)向剛度比按下式計(jì)算：

(1)

Ai=Aw,i+∑jCi,jAci,j

(2)

(3)

式中：C1、C2—分別為地下一層和首層(即地上一層)的混凝土剪變模量；

A1、A2—分別為地下一層和首層的折算抗剪截面面積，按上式(2)計(jì)算；

Aw,i—第i層全部剪力墻在計(jì)算方向(注意剪力墻計(jì)算的方向性)的有效截面面積(不包括翼緣面積)；

Aci,j—第i層第j根柱的截面面積；

hi—第i層的層高；

hci,j—第i層第j根柱沿計(jì)算方向的截面高度；

Ci,j—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。

(二)地下室頂板作為嵌固端需注意的問(wèn)題

地下室是上部結(jié)構(gòu)在地基內(nèi)的延續(xù)，既可為上部結(jié)構(gòu)提供可靠的嵌固，又將上部結(jié)構(gòu)與地下室連接成有機(jī)的整體，有效地降低了建筑物的重心，增加了上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗震能力[2]。對(duì)于帶有地下室的建筑結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上部樓層的構(gòu)件應(yīng)該盡量豎向連續(xù)，嵌固部位樓板要做到足夠強(qiáng)，從而有效傳遞上部結(jié)構(gòu)的水平剪力。上部結(jié)構(gòu)與地下室具有共同的位移場(chǎng)，相互協(xié)調(diào)變形，同時(shí)地下室外的回填土對(duì)結(jié)構(gòu)也具有一定的約束作用。這種約束作用主要表現(xiàn)在對(duì)地下室水平位移的約束，而對(duì)豎向位移和豎向轉(zhuǎn)動(dòng)的約束作用十分有限，一般可以忽略不計(jì)[3]?！斗せ?guī)范》將“地下室的四周外墻與填土緊密接觸”作為判定上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的重要因素，地下室四周回填土對(duì)地下室側(cè)向剛度的貢獻(xiàn)一般是地下室結(jié)構(gòu)自身剛度的3倍以上，在實(shí)際工程中，要注意地下回填土的質(zhì)量。因此在建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)中，上部結(jié)構(gòu)、地下室、基礎(chǔ)和地基應(yīng)作為一個(gè)整體統(tǒng)一考慮。

三、復(fù)雜上部結(jié)構(gòu)嵌固端的分析與研究

在實(shí)際工程中，上部結(jié)構(gòu)的嵌固端的確定往往比較復(fù)雜，如：當(dāng)主樓地下室頂板與裙房或純地下室頂板標(biāo)高錯(cuò)位時(shí)；當(dāng)?shù)叵乱粚优c首層的剛度比不滿足要求時(shí)；當(dāng)?shù)叵率翼敯彘_(kāi)大洞，完整性不滿足要求時(shí)，結(jié)構(gòu)的嵌固端的確定比較困難，建議應(yīng)采用包絡(luò)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行不同嵌固部位的多模型比較計(jì)算，取不利值設(shè)計(jì)，幾種情況見(jiàn)下圖a,b,c。

圖a圖b圖c

圖a是將地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端計(jì)算，主要是用于結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)的把握；圖b是將上部結(jié)構(gòu)的嵌固端確定在地下一層地面；圖c是將上部結(jié)構(gòu)嵌固端確定在基礎(chǔ)頂面。

在對(duì)高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算時(shí)，不同的嵌固端位置將直接影響整個(gè)結(jié)構(gòu)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)力控制載面的變化，各桿件的內(nèi)力包絡(luò)圖也將不同，這直接導(dǎo)致不同的配筋結(jié)果，對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生很大影響。因此有必要對(duì)幾種情況進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算，使得到的計(jì)算結(jié)果更全面，更保守，更能反映工程當(dāng)中存在的實(shí)際問(wèn)題[4-5]。

四、結(jié)論

1.一般情況下，當(dāng)?shù)叵率翼敯褰Y(jié)構(gòu)形式、頂板厚度、開(kāi)洞情況以及剛度比等均需滿足一定的要求時(shí)，盡量將地下室頂板作為嵌固端，這樣結(jié)構(gòu)受力合理，加強(qiáng)部位明確，地下室結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)范圍高度較小，是最為經(jīng)濟(jì)的選擇。

2.建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)上部樓層的構(gòu)件應(yīng)該盡量豎向連續(xù)，嵌固部位樓板要做到足夠強(qiáng)，從而有效傳遞上部結(jié)構(gòu)的水平剪力；同時(shí)也要考慮地下室外回填土對(duì)結(jié)構(gòu)的約束作用，使上部結(jié)構(gòu)、地下室、基礎(chǔ)和地基形成一個(gè)整體。

3.當(dāng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，嵌固端確定比較困難時(shí)，應(yīng)進(jìn)行不同嵌固部位的多模型比較計(jì)算，采用包絡(luò)設(shè)計(jì)方法，取最不利值設(shè)計(jì)，使得到的計(jì)算結(jié)果更全面，更保守，更能反映工程當(dāng)中存在的實(shí)際問(wèn)題。