高層結構嵌固端的選擇與抗震性能分析

常麗華

1 概述

高層建筑結構在地震作用下的破壞機理十分復雜，建筑物質量分布變化，結構剛度計算的局限性，邊界條件假定的正確程度對其振動效應都有一定影響。因此，關于高層結構的安全性能等也提出了更多的要求。高層建筑往往帶有地下室，有些甚至帶幾層地下室。從建筑功能來說，可利用地下室作為地下停車庫、設備用房等;從結構功能來說，設置了地下室可以增加基礎埋深，對于增加結構整體穩定性和提高抗傾覆性能是有利的。因此，帶地下室高層結構嵌固端的選取至關重要。

GB 50011-2001建筑抗震設計規范(2008年版)(以下簡稱“抗規”)第6.1.14條、JGJ 3-2002高層建筑混凝土結構技術規程(以下簡稱“高規”)第 5.3.7條都規定，當地下室頂板作為上部結構嵌固部位時，地下室結構的樓層側向剛度不應小于相鄰上部結構樓層側向剛度的2倍。

結構計算中，嵌固端的選擇是伴隨著高層建筑的出現而產生的。國內外已有一些研究，并積累和總結了一定的經驗，尤其是在采用箱形基礎的高層建筑方面。由于箱形基礎的剛度較之地上1層的剛度偏大不少，嵌固端通常選擇在箱形基礎的頂面(一般為±0.000左右的位置)，這樣上部結構的計算結果較為合理。但對于采用筏板基礎的高層建筑，嵌固端的選擇卻不盡人意。早期的設計計算中，通常將嵌固端選在筏板頂面，后來則選在自然地面標高位置。上述兩種選取方法都乏善可陳:將嵌固端選在筏板的頂面，即采用地下室和上部結構一次計算的方法，若不對計算程序或參數進行修改，其結果與實際情況會有較大誤差;將嵌固端選在室外地坪，其假定就是采用筏板基礎的地下室剛度無限大(相對于地上首層)，即假定結構在此位置上水平位移、豎向位移及轉角為零，而這與實際情況也并不相符。

下面通過一個工程算例來分析帶地下室且為筏板基礎高層建筑嵌固端的選擇。

2 工程算例

2.1 基本數據

本工程項目為廣西某地的住宅樓。該單體地面以上32層，設1層地下室，32層以上為機房層和水箱層，基礎形式為筏板基礎。建筑結構安全等級為二級;地下室防水等級為二級;抗震設防烈度為6度，抗震設防類別為丙類，場地類別為Ⅱ類;結構形式為剪力墻結構。基本風壓為0.40 kN/m2。

地下1層～第4層剪力墻混凝土等級為C50，梁板混凝土等級為C40，5層剪力墻混凝土等級為C45，6層～10層混凝土強度等級為C40，其他各層剪力墻混凝土強度等級為C30，其他各層梁板的混凝土強度等級為C25。

2.2 計算方法

采用中國建筑科學研究院SATWE軟件進行分析計算，分別以地下室頂板和筏板基礎頂面為嵌固端，建立了兩個模型，見圖1。

2.3 SATWE計算結果

SATWE計算結果見表1。

表1 兩模型SATWE計算結果比較

從表1計算結果可知，當取地下室為計算模型底層時，計算高度增加使得風載比實際情況有所加大，而又沒有考慮地下土體對地下室的側面嵌固作用，導致結構的位移增大，結構的自振周期偏長的計算結果，同時結構構件柱和剪力墻的內力都有所增大;取建筑1層作為計算模型底層時，結構的計算高度為地面以上實際高度，因而風荷載與實際情況較符合，但由于將地下室近似于剛度無限大，相當于水平位移和豎向位移均被完全嵌固，導致結構的剛度有所增加，從而與實際情況有所差異，其計算結果表現為位移偏小，周期偏短的特征，由于地下室結構的位移被忽略，結構構件的內力也有所減小，導致結構的安全性有所下降。

然而，兩種情況計算結果對于本工程算例的計算結果影響較小，主要原因是剪力墻結構為彎曲型變形，上部抗側力構件的地震剪力主要通過地下室墻體直接來承擔和傳遞，這時地下室頂板的分散和傳遞作用較小，即地下室頂板厚度對于地下室頂板嵌固沒有顯著的影響。

3 地下室抗震設計

常規房屋結構抗震計算一般采用剛性地基模型，將地面振動激勵作為結構底部嵌固支座的擾動，這種模型對于沒有地下室的多層結構而言是比較合適的。高層建筑往往帶有地下室，由于地基和結構的相互作用，結構的地震反應與剛性地基模型的假定有所不同。由地下室質量引起的地震作用主要被室外的回填土吸收，只有一小部分由地下室本身的構件承擔。

根據“抗規”第6.1.3條，當地下室頂板作為上部結構的嵌固部位時，地下1層的抗震等級應與上部結構相同，地下1層以下的抗震等級可根據具體情況采用三級或更低等級，地下室中無上部結構的部分，可根據具體情況采用三級或更低等級。

4 結論和建議

本文通過對有無地下室結構的抗震性能進行分析研究，確定了帶地下室情況高層結構的嵌固端選取的合理位置。可以得到以下結論和建議:

1)當高層建筑僅設單層地下室且底板采用筏板基礎時，通常選擇基礎底板而非首層作為結構嵌固端，這有利于充分利用其基礎的“無限”剛度，為首層樓面的靈活結構選型創造條件，即使是首層樓面留有大孔洞，或選用無梁樓蓋結構，都不影響結構計算的準確性。

2)“抗規”6.1.14規定:地下室頂板作為上部結構的嵌固部位時應避免在地下室頂板開設大洞口，并應采用現澆梁板結構，其樓板厚度不宜小于180 mm，混凝土強度等級不宜小于C30。鋼筋混凝土剪力墻結構上部抗側力構件的地震剪力主要通過地下室墻體直接來承擔和傳遞，地下室頂板的分散和傳遞作用較小，頂板的厚度主要由其所承受的豎向荷載控制，建議可適當放寬限制，根據工程實際情況選取地下室頂板厚度。

3)本文未涉及對于帶多層地下室的高層建筑，擬在今后做進一步研究分析。

[1] GB 50011-2001，建筑抗震設計規范(2008年版)[S].

[2] JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[3] 董文旭.高層建筑嵌固端的確定探討[J].建筑設計，2005(3):16-17.

[4] 李云貴.上部結構與地下室共同工作分析及地下室設計在SATWE中的實現[J].建筑結構學報，2005(2):23-24.

[5] 蔡曉宏.地下室設計中的幾個問題[J].工程建設與檔案，2004(4):116-117.