上海市某高層建筑嵌固端的選取

王娟

（上海市機電設計研究院有限公司，上海200040）

1 引言

近年來，高層建筑較多設置大型地下室。對于這類建筑，結(jié)構設計時通常會選取地下室頂板為嵌固端。但受制于建筑功能的制約，例如，因地下室頂板設置車庫出入口、下沉式廣場、園林種植及采光天窗等。致使頂板開洞，而這些洞口會對頂板的面內(nèi)剛度和地下室整體性造成一定程度的削弱。特別是洞口離塔樓較近時，必然會對嵌固端造成不利影響。

在實際工程中，遇到這種復雜的情況，一般將嵌固端下移至下一層樓板。本文以上海某工程為實例，探討選取不同的嵌固層對上部結(jié)構嵌固能力的影響，為地下室頂板開洞的研究及類似工程問題提供參考。

2 嵌固能力的判斷

從力學角度看，嵌固是指完全剛性固定，嵌固點下方剛度無窮大，無平動、轉(zhuǎn)動，達到完全約束。從工程角度看，嵌固是一個區(qū)域，并且只有相對固定，沒有絕對固定。實際工程中不可能存在理論上的絕對嵌固端。決定地下室嵌固能力的主要因素是地下室的相對剛度。根據(jù)我國現(xiàn)行GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》及JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構技術規(guī)程》中對嵌固條件的規(guī)定，即“地下室結(jié)構的樓層側(cè)向剛度應不小于相鄰上部結(jié)構樓層側(cè)向剛度的2倍”【1，2】。

“地下室結(jié)構的樓層側(cè)向剛度”是指結(jié)構自身剛度，在選取上部結(jié)構嵌固部位時，雖然樓層側(cè)向剛度比計算中不應考慮土對地下室外墻的約束作用，然而，回填土對地下室的實際約束作用還是很大。同時，地下室頂板對上部結(jié)構的嵌固作用是不能忽視的，是否作為上部結(jié)構的嵌固部位，取決于這種嵌固作用的強弱。

對于地下室嵌固層嵌固能力的判斷，在地震作用下，根據(jù)嵌固層板對塔樓豎向構件水平位移的約束情況和豎向構件內(nèi)力分配的情況來進行分析。同時，選取不同嵌固層會使地上部分結(jié)構的周期、位移發(fā)生變化。因此，本工程主要以塔樓周期、頂點位移及與地上結(jié)構的側(cè)向剛度比作為嵌固能力的考量。

3 工程概況

本項目位于上海市漕河涇新興技術開發(fā)區(qū)。抗震設防烈度為7度，建筑場地類別為上海IV類。建筑物地上20層1#塔樓為工業(yè)研發(fā)用房，長和寬各42m，建筑高度87m（見圖1）。采用框架-剪力墻結(jié)構，框架柱沿四周對稱布置，柱距由外向內(nèi)分別為10.5m、8.4m和4.2m，剪力墻集中布置在中部電梯井道和樓梯間，形成核心筒?？蚣苤鶖嗝嫜馗叨葟?.2m×1.2m變至0.9m×0.9m，剪力墻厚度從400mm變至250mm，混凝土強度等級為C60至C40逐步遞減。地下室共2層，東西總長121.5m，南北寬78.25m，地下1層標高-6.100m，地下2層標高-10.000m。地下室塔樓范圍內(nèi)（距塔樓小于20m范圍）混凝土強度等級為C60，其余部分為C40。

圖1 地下室頂板塔樓相關范圍內(nèi)平面圖

因塔樓西北角及東南角設置下沉式廣場，導致地下室頂板開洞尺寸較大。洞口寬度約占樓層寬度X向的20%，Y向的20%，開洞面積約占樓層面積的7%。同時距離塔樓外墻16.8m處地下室頂板，板面標高降1.8m左右。上述情況影響樓板面內(nèi)剛度和地下室的整體性，尤其是洞口緊鄰塔樓角部，對頂板的嵌固能力有較大影響。

4 模型對比分析

4.1 頂板嵌固能力對比分析

采用PKPM結(jié)構設計軟件（2010v2.1版)進行下述3個模型的對比分析，模型的地下室頂板均假定為彈性膜單元，其他地下樓層假定為剛性樓板。

模型A：上部結(jié)構模型，嵌固于地下室頂板，假設地下室頂板不開孔。

模型B：整體模型，嵌固于考慮實際開孔的地下室頂板，考慮頂板開孔的影響。

模型C：整體模型，嵌固于地下1層，考慮將地下1層作為嵌固端。分析模型示意圖見圖2。

圖2 分析模型示意圖

表1為3種模型的周期及地震作用下頂層平均層間位移的對比結(jié)果，可以看出，考慮開孔影響的模型B，其周期略大于不考慮開孔影響的模型A，說明洞口并未造成嵌固能力的較大損傷，結(jié)構設計時采用加強措施即可。

表1 各模型周期及頂層平均層間位移計算結(jié)果對比

在考慮地下室外回填土的側(cè)向約束作用時，各模型地震作用下頂層平均位移基本一致。選取嵌固于地下1層樓板的模型C來觀察，地下1層的X向側(cè)向剛度為5.617 1×108kN/m,頂板錯層低處X向側(cè)向剛度為5.749 1×108kN/m，頂板處X向側(cè)向剛度為5.912 4×108kN/m，地上1層X向側(cè)向剛度為5.610 4×107kN/m。地下所有層與地上1層的側(cè)向剛度比值均遠遠大于2。說明地下室頂板有足夠嵌固能力。

4.2 各模型柱內(nèi)力對比分析

為分析地下室頂板開孔對開孔處柱內(nèi)力的影響，以及選取不同嵌固端對頂板開孔處柱內(nèi)力的影響。采用圖1中的Z1（第一振型）在X向及Y向地震作用下調(diào)整前內(nèi)力標準值進行比較分析。對比結(jié)果詳見圖3、圖4。可見，頂板不開孔的模型A的剪力及彎矩均明顯大于頂板開孔的模型B。選取地下室頂板為嵌固端的模型B的剪力及彎矩均明顯大于以地下1層樓板為嵌固端的模型C【3】。

5 結(jié)語

圖3 Z1在X向地震作用下調(diào)整前內(nèi)力標準值

圖4 Z1在Y向地震作用下調(diào)整前內(nèi)力標準值

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》，若將地下室頂板作為上部結(jié)構的嵌固部位時，頂板應避免開設大洞口。此規(guī)定的目的就是要保證嵌固層的整體性，避免因開設大洞口，對樓板整體性削弱太多，迫使嵌固部位下移。因此，本工程為滿足建筑功能的需要，在無法將地下室頂板作為上部結(jié)構的嵌固部位時，只能將上部結(jié)構嵌固端選取在地下1層樓板，對地下1層的樓板按照嵌固端進行處理【4，5】。

根據(jù)前文分析結(jié)果，地下室頂板的實際嵌固作用不容忽視，故需按照選地下室頂板作為嵌固端模型進行復核，對構件進行包絡設計。在地下室頂板采用相應的構造加強措施，包括板厚取用200mm，地下1層柱縱筋的配筋量≥1.1倍地上1層柱縱筋的配筋量等措施。