王延該

關(guān)于多層框架結(jié)構(gòu)嵌固端位置選取對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響

王延該

一、引言

在有地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，地下室的頂板是否做為上部結(jié)構(gòu)的嵌固是很重要的。這不僅僅關(guān)系到計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力大小，而且在某些工程中會(huì)讓整體結(jié)構(gòu)成為一個(gè)超限建筑。現(xiàn)行規(guī)范對(duì)嵌固端的規(guī)定并沒(méi)有明確的限制，而很多人的研究重心都放在高層的嵌固端位置確定。多層建筑對(duì)嵌固端位置的要求沒(méi)有高層建筑的迫切，但是改變嵌固端位置是否會(huì)有利于結(jié)構(gòu)計(jì)算，繼而節(jié)約造價(jià)，這是本文討論的中心。

嵌固端的定義：就是平常說(shuō)的固定端，不允許構(gòu)件在此部位有任何位移。如果將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為立桿則嵌固端即為剛節(jié)點(diǎn)。在現(xiàn)行規(guī)范中，對(duì)于嵌固端的位置并沒(méi)有詳細(xì)的規(guī)定，只是對(duì)當(dāng)嵌固端在地下室頂板時(shí)構(gòu)件加強(qiáng)做出規(guī)定。在高層建筑的嵌固端研究已經(jīng)相當(dāng)深化的同時(shí)多層框架作為常用結(jié)構(gòu)類型卻少有關(guān)注。

本文僅以純框架結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易模型計(jì)算，不考慮裙房、錯(cuò)層以及局部收進(jìn)等情況，分別從地上層數(shù)變化和地下層數(shù)變化兩方面出發(fā)，通過(guò)PKPM軟件計(jì)算不同嵌固端位置來(lái)驗(yàn)證其變化對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算是否有利。

二、結(jié)構(gòu)計(jì)算控制項(xiàng)

1.抗剪承載力之比

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB5011-2010）第3.4.4條第2款第3小條規(guī)定：“樓層承載力突變時(shí)，薄弱層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應(yīng)小于相鄰上一樓層的65%?！?/p>

在簡(jiǎn)易模型中單方面改變地下室層數(shù)而保持地上層數(shù)不變，通過(guò)調(diào)整嵌固端的位置，X（或Y）方向最小樓層抗剪承載力之比計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1：

表1 地上六層地下層數(shù)變化而嵌固端位置不同時(shí)抗剪承載力之比的變化

表1的數(shù)據(jù)可以看出，隨著地下室層數(shù)的增加，樓層最小抗剪承載力之比在不斷變小，可見(jiàn)地下層數(shù)的增加會(huì)使建筑的薄弱區(qū)域更加明顯，即地下層數(shù)較多不利于結(jié)構(gòu)計(jì)算；嵌固端位置的變化對(duì)抗剪承載力之比的提高并不能起到作用，只在有二層地下室的情況有較明顯的不利影響。

當(dāng)?shù)叵率覍訑?shù)為二層時(shí)，嵌固端位于地下室頂板時(shí)樓層最小抗剪承載力之比最小，即對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算最不利。為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果是否存在普遍性，在相同荷載及抗震條件下，對(duì)地上層數(shù)不同、地下二層的建筑模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2：

表2 地下二層地上層數(shù)變化而嵌固端位置不同時(shí)抗剪承載力之比的變化

結(jié)果可見(jiàn)，對(duì)于多層框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)叵率覍訑?shù)為2層時(shí)，選取地下室頂為嵌固端，結(jié)構(gòu)計(jì)算最為不利，即最易形成薄弱層。在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第3.5.3有規(guī)定，A級(jí)高度高層建筑的樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪不宜小于其相鄰上一層受剪承載力的80%，不應(yīng)小于其相鄰上一層受剪承載力的65%?？梢?jiàn)對(duì)于多層框架結(jié)構(gòu)，特別是有二層地下室的情況，將嵌固端置于地下室頂會(huì)造成層間抗剪承載力之比變小，可能使模型計(jì)算不滿足規(guī)范要求，繼而需要增加截面面積、增大配筋以及提高混凝土級(jí)別。

僅從樓層抗剪承載力角度考慮，多層框架結(jié)構(gòu)不宜將嵌固端置于地下室頂面。

2.自振周期

結(jié)構(gòu)自振周期直接影響結(jié)構(gòu)抗震性能。結(jié)構(gòu)越柔，結(jié)構(gòu)計(jì)算形成的剪力越小，周期越大，計(jì)算的地震力越小，分配到抗震方面的作用就相應(yīng)減少，相應(yīng)計(jì)算值就會(huì)降低從而達(dá)到減小計(jì)算量，降低建造成本。由表3可以得出在嵌固端變化時(shí)，結(jié)構(gòu)的自振周期不會(huì)變化。而隨著地下室層數(shù)的變化，第一振型的周期不斷變長(zhǎng)（效果如前述），第三陣型的周期同樣在變大，而作為控制條件的周期比則成曲線變化，見(jiàn)圖1。

表3 地上六層地下層數(shù)變化而嵌固端位置不同時(shí)引起周期的相應(yīng)變化

圖示可看出地下室層數(shù)從二層地下室起，地下室的增加對(duì)周期比影響趨于平緩，因此僅考慮周期比時(shí)，有二層地下室對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算最有利。這不僅有利于空間的利用也會(huì)使結(jié)構(gòu)計(jì)算相對(duì)節(jié)約。

圖1 周期與地下室層數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.其他因素

（1）最大層間移角隨地下室層數(shù)的增加成下降趨勢(shì)，同時(shí)嵌固端對(duì)位移角影響不大。

（2）結(jié)構(gòu)薄弱層一般位于地上一層，與嵌固端位置無(wú)關(guān)。

三、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算可以得出以下結(jié)論：

1.對(duì)于多層框架結(jié)構(gòu)建筑，隨地下室層數(shù)的增加，嵌固端位于基礎(chǔ)頂時(shí)對(duì)抗剪承載力之比的影響不計(jì)。層數(shù)不同的多層框架結(jié)構(gòu)，有二層地下室且嵌固端位于地下室頂板時(shí)，抗剪承載力之比最小。

2.隨地下室層數(shù)的增加，前三個(gè)自振周期相比較均成縮短趨勢(shì)，同時(shí)周期比也不斷減??；而嵌固端位置變化不影響結(jié)構(gòu)周期。

3.最大層間位移角隨地下室層數(shù)的增加成下降趨勢(shì)，同時(shí)嵌固端對(duì)位移角影響不大。

4.結(jié)構(gòu)薄弱層一般位于地上一層，與嵌固端位置無(wú)關(guān)。

綜合可知，對(duì)于一般多層框架結(jié)構(gòu)，將地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算不利，不宜將地下室頂板作為作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位。

（作者單位：湖北城市建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）