淺析結(jié)構(gòu)嵌固端的選取

翟瑩

摘要;本文針對(duì)高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常遇到的嵌固端合理選取這一問(wèn)題，對(duì)帶地下室的上部結(jié)構(gòu)嵌固端需滿足的計(jì)算條件及結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施等問(wèn)題進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：高層建筑、嵌固端、構(gòu)造措施

前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，城市中心用地日益緊張，停車(chē)位需求也越來(lái)越高，新建建筑的地下室規(guī)模和數(shù)量也在不斷增多。帶地下室的多塔式住宅是高層建筑中較為常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)形式，在針對(duì)高層建筑工程實(shí)施設(shè)計(jì)工作之前，最為關(guān)鍵的就是需要找到適合的嵌固端安設(shè)的位置。本文針對(duì)嵌固端的選取及設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題，進(jìn)行了相應(yīng)的探討總結(jié)。

一.嵌固端合理選取的重要性

對(duì)于帶有單層或者多層地下室的高層建筑，嵌固端不但可以選擇在地下室頂板結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行安設(shè)，也可以選擇地下室基礎(chǔ)位置。在針對(duì)性的實(shí)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的過(guò)程中，如果缺少對(duì)嵌固端的位置選擇的綜合考慮，將會(huì)對(duì)后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)埋下安全隱患，如地下室結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)，地下室頂板設(shè)計(jì)及上部結(jié)構(gòu)的合理計(jì)算模型等，都會(huì)有較大影響，所以正確選取嵌固端是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要假定。其具體意義如下：

1、高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端的確定是結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要部分，因?yàn)榍豆涛恢玫暮侠硇詴?huì)對(duì)結(jié)構(gòu)模型的整體效果造成直接的影響，涉及到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力分配、地下室抗震等級(jí)、水平荷載下側(cè)向位移等，這將直接影響配筋結(jié)果，將對(duì)整個(gè)建筑的安全產(chǎn)生影響。

2、對(duì)于帶地下室的多塔式住宅建筑，特別是對(duì)于各塔層高不同的多塔，若以地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，可以簡(jiǎn)化模型進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3、結(jié)構(gòu)嵌固端的確定關(guān)系著結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。以地下室頂板為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，減小了整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算高度，且結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)部位也將會(huì)受到影響。雖然作為嵌固端，地下室頂板板厚及板配筋等增加，會(huì)影響局部的經(jīng)濟(jì)成本，但較總體而言，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性還是有利的。

4、結(jié)構(gòu)嵌固端的確定關(guān)系著結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施的選取。如果以地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，則地下室頂板結(jié)構(gòu)形式、頂板厚度、開(kāi)洞情況、記憶塑性鉸位置等均需滿足一定的要求。

上述幾點(diǎn)，充分說(shuō)明嵌固端的正確選取，對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)合理性、抗震性能以及建筑的經(jīng)濟(jì)性而言都非常重要。

二.設(shè)有地下室的上部結(jié)構(gòu)嵌固端的選取原則及構(gòu)造措施

高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端的選取面臨著各種不同情況，如不設(shè)地下室但基礎(chǔ)埋深較大，設(shè)有地下室但其層數(shù)或多或少等不同情況。為便于探討總結(jié)，以下論述主要針對(duì)帶一層地下室的高層住宅。

帶地下室的建筑，從經(jīng)濟(jì)和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化角度出發(fā)，宜將上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位設(shè)置在地下室頂板，根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）第6.1.14條條文說(shuō)明可知，此處所述的地下室是指，全埋地下室;對(duì)于在山（坡）地建筑中出現(xiàn)地下室各邊埋深深度差異較大時(shí)，建議設(shè)置獨(dú)立的支擋結(jié)構(gòu)。但由于城市綠化的需求，現(xiàn)狀大部分地下室頂板均設(shè)有1.2m～2m左右的綠化覆土，這將導(dǎo)致主體建筑范圍內(nèi)的地下室頂板與其相關(guān)范圍內(nèi)的地下室頂板高差較大，這種情況下，一般要求該高差宜小于本層層高的1/3。

當(dāng)設(shè)計(jì)中，以地下室頂板作為嵌固端時(shí)，由規(guī)范GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）第6.1.14條理解，應(yīng)滿足以下條件：

1、平面剛度：應(yīng)避免在地下室頂板開(kāi)設(shè)大洞口，確保上部結(jié)構(gòu)嵌固端部位的整體性，且地下室頂板必須具有足夠的平面內(nèi)剛度，以有效地傳遞地震基底剪力?，F(xiàn)有較多地下室頂面采用無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)，相對(duì)梁板結(jié)構(gòu)而言，無(wú)梁樓蓋的平面外剛度較小，難以符合剛性樓板假定的基本要求，而且在豎向荷載作用下，無(wú)梁樓蓋將產(chǎn)生較大的平面外變形，而地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，將承受很大的水平地震力，無(wú)梁樓蓋的平面外變形，非常不利于傳遞水平地震剪力和協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)變形。故規(guī)范提出地下室在地上結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍的頂板應(yīng)采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，相關(guān)范圍以外的地下室頂板宜采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu);現(xiàn)澆板厚不宜小于180mm，混凝土強(qiáng)度不宜小于C30，雙層雙向配筋，配筋率不宜小于0.25%等構(gòu)造措施要求以達(dá)到加強(qiáng)頂板的平面內(nèi)和平面外剛度，并確保樓板整體性的目的。

但是現(xiàn)有建筑地下室采用自然通風(fēng)采光，在地下室頂板開(kāi)許多較大洞口，導(dǎo)致樓板不連續(xù);再者建筑設(shè)置下沉廣場(chǎng)、商場(chǎng)自動(dòng)步梯等導(dǎo)致樓板開(kāi)大洞。以上所述情況都會(huì)致使樓板的整體性削弱太多，這種情況將迫使嵌固部位下移。

2、側(cè)向剛度：結(jié)構(gòu)地上一層的樓層側(cè)向剛度，不宜大于相關(guān)范圍地下室一層側(cè)向剛度的0.5倍（見(jiàn)圖一）;地下室周邊已有與其相連的抗震墻。在確定嵌固端量化指標(biāo)的樓層側(cè)向剛度比計(jì)算中，只考慮結(jié)構(gòu)自身的側(cè)向剛度比是合理的，而在嵌固端確定后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮地下室外圍填土對(duì)地下室剛度的貢獻(xiàn)，并進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算。此處相關(guān)范圍與第1條同，指地上結(jié)構(gòu)主體以外不大于3跨或20m的范圍（圖二）。

3、當(dāng)確定地下室頂板作為嵌固部位時(shí)，地下室頂板對(duì)應(yīng)于地上框架柱的梁柱節(jié)點(diǎn)均應(yīng)滿足6.1.14條相關(guān)規(guī)定，如：1）地下一層柱截面每側(cè)縱向鋼筋不應(yīng)小于地上一層柱對(duì)應(yīng)縱向鋼筋的1.1倍;并且地下一層支柱結(jié)構(gòu)頂部左右梁頂端的抗震受力載荷能力超出了地上一層柱下段結(jié)構(gòu)的抗載荷能力。2）如果地下一層梁結(jié)構(gòu)的剛度水平相對(duì)較高的時(shí)候，支柱橫截面的縱向鋼筋面積應(yīng)當(dāng)保證超出每側(cè)縱向鋼筋的大小。同時(shí)梁端頂面和底面的縱向鋼筋面積均應(yīng)比計(jì)算增大10%以上。此規(guī)定是通過(guò)配筋以增大柱截面實(shí)際受彎承載力的辦法，以確保塑性鉸只出現(xiàn)在上柱底部截面。同理，地下一層剪力墻墻肢端部邊緣構(gòu)件縱向鋼筋的截面積不應(yīng)小于地上一層對(duì)應(yīng)墻肢端部邊緣構(gòu)件縱向鋼筋截面積。關(guān)于加大地下室縱向鋼筋問(wèn)題中，還應(yīng)將地下室增加的縱向鋼筋在地下室頂層梁板內(nèi)彎折錨固，避免同時(shí)對(duì)一層柱底截面實(shí)際受彎承載力的加大。

4、地下室的抗震等級(jí)及加強(qiáng)部位等設(shè)置，均需根據(jù)具體的嵌固端部位來(lái)確定。如地下室抗震等級(jí)的確定，根據(jù)GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版），第6.1.3條3）知，嵌固端的選取影響著多層地下室的抗震等級(jí)。當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固端部位時(shí)，地下室一層抗震等級(jí)與上部相同，地下一層以下抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)可逐層降低一級(jí)。在規(guī)范JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》7.1.4條1）、3）均對(duì)底部加強(qiáng)部位做出了規(guī)定，底部加強(qiáng)部位從地下室頂板算起，當(dāng)結(jié)構(gòu)計(jì)算嵌固端位于地下一層底板或以下時(shí)，底部加強(qiáng)部位宜延伸到計(jì)算嵌固端。

從結(jié)構(gòu)受力角度而言，地下室頂面滿足上述嵌固部位要求的條件，應(yīng)盡量將上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位選擇在地下室頂面。

當(dāng)?shù)叵率翼敯宀荒茏鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，因回填土對(duì)地下室結(jié)構(gòu)的約束作用很大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也應(yīng)該考慮地下室頂板處實(shí)際存在的嵌固作用，并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。以上部結(jié)構(gòu)嵌固端為基礎(chǔ)頂為例，最終的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果應(yīng)取不同嵌固部位（基礎(chǔ)頂和地下室頂板）分別計(jì)算，包絡(luò)取值。

三、不設(shè)地下室高層住宅建筑嵌固端的選取

高層建筑不設(shè)地下室通常是針對(duì)層數(shù)有限的小高層，或者其基礎(chǔ)持力層較淺的情況，但從抗震角度考慮是不提倡的。

1、不管結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用的是何種基礎(chǔ)，一般都是以基礎(chǔ)或者承臺(tái)面作為嵌固部位，且必須在該標(biāo)高處的縱橫方向設(shè)置剛度較大的基礎(chǔ)拉梁加以連結(jié)，故首層層高應(yīng)從基礎(chǔ)面算起。

2、若基礎(chǔ)面標(biāo)高與首層標(biāo)高有一定距離而不設(shè)置基礎(chǔ)拉梁或其剛度過(guò)小，則地面標(biāo)高處設(shè)置剛性地面作為結(jié)構(gòu)嵌固端，首層層高可從地面層算起。

四、實(shí)例分析——三亞某項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目地下二層車(chē)庫(kù)，地上部分為5棟高層住宅樓及附屬商業(yè)樓，住宅樓為剪力墻結(jié)構(gòu)，商業(yè)樓為框架結(jié)構(gòu)。平面圖如下： 其中1～4號(hào)主樓下均為兩層地下室。結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，由于地下室層高不大，非人防區(qū)域， 2號(hào)樓負(fù)一、二層主體剪力墻墻厚先按照200mm計(jì)算，計(jì)算所得側(cè)向剛度比不滿足地下室頂板作為嵌固端條件。如不能將地下室頂板作為嵌固端，那么結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中帶來(lái)以下問(wèn)題：2號(hào)樓首層局部為幼兒園教室，根據(jù)規(guī)范要求，此部分抗震等級(jí)提高一級(jí)，若嵌固端為基礎(chǔ)頂，那么地下室一層二層的抗震等級(jí)都需與首層抗震等級(jí)同為三級(jí)，但若地下室頂板作為嵌固端，地下室一層抗震等級(jí)與上部相同，地下一層以下抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)可逐層降低至四級(jí);再者，根據(jù)規(guī)范JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》7.1.4條1）、3），本棟樓的底部加強(qiáng)部位已延伸到基礎(chǔ)頂，這些都將會(huì)影響到整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)性。由于側(cè)向剛度比與0.5相差不大，因此，結(jié)構(gòu)人員在計(jì)算過(guò)程中，以調(diào)整主樓地下室兩層的局部剪力墻墻厚為250～300mm，并加大地下室頂板板厚等措施，最終實(shí)現(xiàn)了嵌固部位為地下室頂板。

五、總結(jié)

嵌固端的正確選取是高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算中的一個(gè)重要假定，直接影響結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施及結(jié)構(gòu)計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性、合理性，進(jìn)而影響后續(xù)的設(shè)計(jì)工作，所以工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)各種不同情況合理選擇嵌固端部位。無(wú)論選擇哪個(gè)部位作為結(jié)構(gòu)嵌固端，我們的最終目的都是為了計(jì)算結(jié)果能較真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，以達(dá)到結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的最終目的。

參考文獻(xiàn)：

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3 朱炳寅.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用與分析GB50011-2010

4 魏利金.建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)與審查圖常遇問(wèn)題及對(duì)策

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