淺談高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端部位的選取

陳煒琴

高層建筑結(jié)構(gòu)的嵌固部位是結(jié)構(gòu)計算模型中的一個重要假定，嵌固部位選取的正確與否直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)計算模型與結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)的符合程度，構(gòu)件內(nèi)力及結(jié)構(gòu)側(cè)移等計算結(jié)果的真實性和準(zhǔn)確性。因此正確選取嵌固部位并對其結(jié)構(gòu)布置和配筋構(gòu)造以及其他構(gòu)造措施等方面給予一定的必要保障，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)提出來與大家共同探討。

1 嵌固部位的概念

嵌固部位就是預(yù)期塑性鉸出現(xiàn)的部位，結(jié)構(gòu)下部的嵌固部位應(yīng)能限制結(jié)構(gòu)上部構(gòu)件在水平方向的平動位移和轉(zhuǎn)角位移，并將上部結(jié)構(gòu)的剪力全部傳遞給下部結(jié)構(gòu)，因此對作為主體結(jié)構(gòu)嵌固部位的地下室樓層的整體剛度和承載力應(yīng)加以控制，并通過對結(jié)構(gòu)剛度和承載力的調(diào)整，使塑性鉸出現(xiàn)在預(yù)定的部位。

2 嵌固部位選取的條件

2.1 當(dāng)高層建筑有地下室時

1)地下室頂板與室外高差不能太大。高層建筑由于基礎(chǔ)埋置深度較大，一般均設(shè)有地下室。嵌固部位一般設(shè)在地下室頂板即地面標(biāo)高處，但地下室頂板標(biāo)高與室外標(biāo)高高差較大時，地下室頂板也不能選取為嵌固部位，其高差一般為1個～3個臺階為宜。目前設(shè)計的陽泉煤業(yè)集團有限責(zé)任公司馨辰大廈，地下一層(相當(dāng)于大地盤)，地上分三部分，相當(dāng)于三個塔樓，主樓為32層，其中1層～7層為辦公樓，其余為住宅。主樓設(shè)有人防層，為剪力墻結(jié)構(gòu)，副樓分別為七層和三層框架結(jié)構(gòu)。地上部分根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、立面高差等因素設(shè)置了沉降縫而將結(jié)構(gòu)分成了相對獨立的三個單元，室內(nèi)外高差600。綜合考慮選取地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。2)地下室側(cè)壁要有很好的側(cè)限，也就是與“地球”有很好的接壤。半地下室頂板處不能作為嵌固部位就是這個原因。實際工程中由于地形的影響，出現(xiàn)了錯層，錯層部位的基礎(chǔ)部分水平構(gòu)件和豎向構(gòu)件應(yīng)連成整體從而不考慮側(cè)限問題。3)地下室頂板結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計成梁板結(jié)構(gòu)體系(不能設(shè)計為無梁樓蓋)。

2.2 當(dāng)高層建筑無地下室時

1)當(dāng)基礎(chǔ)埋置較淺時，無論采用天然地基基礎(chǔ)還是樁基礎(chǔ)，都是以基礎(chǔ)(承臺)頂面作為嵌固部位，而且在此標(biāo)高處縱橫兩個方向應(yīng)設(shè)剛度較大的梁連接，此時首層層高計算高度取至基礎(chǔ)(承臺)頂面。2)當(dāng)基礎(chǔ)埋置較深時，通常在地面標(biāo)高處設(shè)剛性地面作為結(jié)構(gòu)嵌固部位，首層的計算高度取至剛性地面。基礎(chǔ)(承臺)頂面與地面之間高差較大時，如果首層計算高度還是取至基礎(chǔ)(承臺)頂面，這樣層高過大，墻、柱截面相應(yīng)也比較大，容易形成薄弱層，這樣做既不經(jīng)濟也給結(jié)構(gòu)帶來了不利。

2.3 嵌固部位的剛度比要求

《建筑設(shè)計抗震規(guī)范》6.1.14條和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》5.3.7條均規(guī)定:“地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位時，結(jié)構(gòu)地上一層的側(cè)向剛度，不宜大于相關(guān)范圍地下一層側(cè)向剛度的0.5倍。”地下室嵌固部位結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受上部結(jié)構(gòu)屈服超強引起的內(nèi)力及地下室本身的地震作用。規(guī)范提供了三種樓層剛度比的計算方法，分別是剪切剛度比、剪彎剛度比、地震力與相應(yīng)層間位移比，建議在確定嵌固部位計算時，采用剪切剛度比的計算方法。一般情況下地下室最高一層結(jié)構(gòu)都要加強，地下室外墻可以參加地下室側(cè)向剛度的計算，因此地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位是容易做到的。當(dāng)?shù)叵率沂巧喜慷嗨拇蟮妆P時(沒有裙房)，地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的條件是可以的，地下室的整體剛度與相鄰上部所有塔樓的總剛度比不應(yīng)小于2。

作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，下部結(jié)構(gòu)必須具有很大的側(cè)向剛度，保證柱根之間不會產(chǎn)生相對位移并能承受或平衡柱根彎矩。

2.4 地下室一層頂板作為嵌固部位的有關(guān)構(gòu)造條件

1)地下室一層的抗震等級應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)相同，地下室一層以下樓層結(jié)構(gòu)的抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或四級。2)地下室頂板應(yīng)避免開設(shè)大洞口(地下室頂板必須具有足夠的平面內(nèi)剛度，以有效傳遞地震基底剪力);地下室在地上結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍(一般可從地上結(jié)構(gòu)(主樓、有裙房時包括裙房)周邊外延不大于20 m)的頂板應(yīng)采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，相關(guān)范圍以外的地下室宜采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu);其樓板厚度不小于180 mm，混凝土強度等級不宜小于C30，應(yīng)采用雙層雙向配筋，且每層每個方向的配筋率不宜小于0.25%。3)地下一層柱截面每側(cè)縱向鋼筋不應(yīng)小于地上一層柱對應(yīng)縱向鋼筋的1.1倍，且地下一層柱上端和節(jié)點左右梁端實配的抗震受彎承載力之和應(yīng)大于地上一層柱下端實配的抗震受彎承載力之和的1.3倍(用于框架結(jié)構(gòu))。特別注意當(dāng)框架柱嵌固在地下室頂板時，位于地下室頂板的梁柱節(jié)點應(yīng)按首層柱的下端為“弱柱”設(shè)計，即地震時首層柱底先屈服、出現(xiàn)塑性鉸，但地下室一層對應(yīng)的框架柱不應(yīng)屈服。為實現(xiàn)首層柱底先屈服的設(shè)計概念，規(guī)范提供了兩種方法:a.按下式復(fù)核:，設(shè)計時梁柱縱向鋼筋增加的比例也可不同，但柱的縱向鋼筋至少比地上結(jié)構(gòu)柱下端的鋼筋增加10%，可滿足上式的要求。其中為節(jié)點左右梁端截面逆時針或順時針方向?qū)嵟涞恼孛婵拐鹗軓澇休d力所對應(yīng)的彎矩值之和，根據(jù)實配鋼筋面積和材料強度標(biāo)準(zhǔn)值確定為地下室柱上端與梁端受彎承載力同一方向?qū)嵟涞恼孛婵拐鹗軓澇休d力所對應(yīng)的彎矩值，應(yīng)根據(jù)軸力設(shè)計值、實配鋼筋面積和材料強度標(biāo)準(zhǔn)值等確定;為地上一層柱下端與梁端受彎承載力不同方向?qū)嵟涞恼孛婵拐鹗軓澇休d力所對應(yīng)的彎矩值，應(yīng)根據(jù)軸力設(shè)計值、實配鋼筋面積和材料強度標(biāo)準(zhǔn)值等確定。b.當(dāng)梁按計算分配的彎矩接近柱的彎矩時，地下室頂板的柱上端、梁頂面和梁底面的縱向鋼筋均應(yīng)增加10%以上。4)地下一層抗震墻墻肢端部邊緣構(gòu)件縱向鋼筋的截面面積，不應(yīng)少于地上一層對應(yīng)墻肢端部邊緣構(gòu)件縱向鋼筋的截面面積(用于剪力墻結(jié)構(gòu))。

2.5 地下室其他樓層作為嵌固部位的條件

1)地下一層往下各樓層的剛度遞增，當(dāng)樓層的剪切剛度大于其上一層剛度的2倍時，則該樓層頂板可作為嵌固部位。2)若地下室某樓層按人防要求設(shè)計，則人防地下室頂板可作為嵌固部位。3)地下室底板(基礎(chǔ))剛度較大時，如箱形基礎(chǔ)、筏形基礎(chǔ)，其基礎(chǔ)底板可作為嵌固部位。

綜上所述，嵌固部位的選取需結(jié)合工程實際情況而定，如地下室是上部多塔的大底盤時，一般選取地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位;如地下室設(shè)有人防層，人防層頂板可作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位;如上部結(jié)構(gòu)為單塔或無地下室時，一般取基礎(chǔ)頂面作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位等。

3 結(jié)語

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，無論選擇哪個部位作為結(jié)構(gòu)嵌固端，都可以通過結(jié)構(gòu)計算程序和構(gòu)造措施獲得準(zhǔn)確的計算結(jié)果，但我們期望的是計算結(jié)果能較真實地反映結(jié)構(gòu)的實際情況。為達到這一目的，結(jié)構(gòu)計算時輸入正確的參數(shù)和數(shù)據(jù)固然重要，但結(jié)構(gòu)嵌固部位的正確選取對結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的影響也相當(dāng)大，因此正確選取嵌固部位并對其結(jié)構(gòu)布置和配筋構(gòu)造以及其他構(gòu)造措施等方面給予一定的必要保障，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)。

［1］ GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］ 龐 瑩.高層建筑體型設(shè)計與抗震性能研究初探［J］.山西建筑，2010，36(6)：58-59.