高層建筑結構嵌固端選取應考慮的核心因素分析

郭 剛

（寧夏煤礦設計研究院有限責任公司，寧夏 銀川 750011）

0 引言

《建筑地基基礎設計規范》、《建筑抗震設計規范》、《高層建筑混凝土結構技術規程》、《高層建筑箱形與筏形基礎技術規范》等對基礎埋置深度的確定和結構嵌固端的選取做了一些規定和要求，而且眾多的工程技術人員也進行了廣泛的探討和研究，但是由于高層建筑影響因素的不確定性、結構本身的復雜性和多樣化以及不同建筑物的獨一性，從而使得基礎埋置深度的確定和結構嵌固端的選取仍然存在很多問題。

1 工程地質水文條件

嵌固端的選取與基礎設計密切相關。工程地質水文條件作為基礎設計的主要影響因素之一必然對嵌固端的選取產生重要影響。工程地質條件和水文地質條件不同，基礎持力層和地下水位的高度就不同，這不僅使得基礎埋置深度不同，而且使得基礎結構選型不同，從而使得結構嵌固端的選取條件和依據就不相同。

另外，工程地質條件和水文地質條件還使得地下結構的側限和抗側剛度不同。側限及抗側剛度的大小決定著嵌固端的選取部位。對于特殊工程地質和水文地質條件，如濕陷性黃土、鹽漬土、季節性凍土或凍土、淤泥質土、軟土等，地基基礎設計更加復雜，結構嵌固端的選取要根據地基土的不同工程特性區別對待。

2 基礎埋置深度

對于高層建筑來講，在研究確定高層建筑的結構嵌固端時，必然牽涉到其基礎埋置深度問題。嵌固端部位必須在滿足基礎有效埋置深度或可靠埋置深度的前提下選取，其位置可在基礎頂面也可以高于基礎頂面。對于設地下室的基礎，基礎埋置深度決定了地下室的層數，結構嵌固端根據具體要求可選在某一層頂板或底板處。對于抗震設防的高層建筑，其上部結構嵌固在地下室或基礎的什么部位，是個非常重要的問題，它不僅關系到結構計算模型的準確性，而且還關系到結構計算中構件內力的大小和變形等一系列問題。

3 基礎結構型式

基礎結構選型不同，結構嵌固端選取的側重點和位置就不相同，結構計算模型也就不同。如對于箱形基礎，在頂板滿足一定條件時，可將結構嵌固端設在頂板處；對于樁基礎，一般以承臺面作為結構嵌固端，但必須在該標高處的縱橫方向設置剛度較大的基礎梁加以連結；而對于不設地下室的筏板基礎，基礎面標高與首層標高有一定距離，不能把基礎面確定為嵌固端，則應在地面標高處設剛性地面以作為結構嵌固端，這里的剛性地面是有具體要求的。

4 有無地下室

不設地下室時，結構的嵌固端選取要根據基礎埋深和基礎結構型式等影響因素綜合確定。當設有地下室時，結構嵌固端可根據地下室層數及其它要求選在一層或其它層的頂板或底板處。

關于地下室頂板作為上部結構嵌固部位需滿足的條件問題，看起來不復雜，但在實際操作中并不像想象中的那么簡單，還需滿足許多條件，而且還分為幾種情況。例如：地下室的層數及基礎等相關問題、地下一層與地上一層的等效剪切剛度比γ的計算問題、一般地下室與具有多塔樓的高層建筑地下室的地下一層與地上一層的等效剪切剛度比γ的計算取值的區別問題、上部結構嵌固在地下室頂板時地下室結構的地震作用和抗震計算問題等等。當地下室頂板作為上部結構的嵌固端時，還要從樓板厚度、混凝土強度等級、頂板的配筋率、樓層的側面剛度等都有具體要求。當高層建筑僅設一層地下室時，其嵌固端位置需視情況而定，如首層樓面留有大洞，或選用的是無梁樓蓋結構時，一般取地下室底板為結構嵌固端；當地下室作為防空地下室的情況，因為防空地下室之頂板通常具有作為結構嵌固端的剛度，因此可取其頂板處為上部結構的嵌固端。

此外，從《高層規程》條文說明中看到，地下室頂板作為上部結構的嵌固端時，地下室層數不宜少于兩層，這意味著對高層建筑來說，地下室層數或總深層不僅由地基基礎埋深決定，還必須考慮上述因素。

5 首層樓面活荷載

作為結構嵌固端的首層樓面——地下室頂板，其在正常使用時的活荷載一般不太大，即使作為商場、餐飲等商業用途，其活荷載也僅為3.5kN/m2，但在結構設計時要認真考慮施工過程中可能產生的施工荷載。

根據場地條件，對于首層梁板構件取活荷載為8.0-10.0kN/m2則往往是必要的。當高層建筑主體結構建至2層樓面時，首層地面自然而然就成為理想的施工場所和施工材料庫房，或用于堆放材料(袋裝水泥、砌塊、砂子、鋼材、搭架鋼腳手架等)，或用于鋼筋、鋼材的加工，甚至作為載重汽車的行駛通道和停車場等，即使是臨時荷載，其樓面活荷載也有必要取較高值，該活荷載值僅作用于該層結構平面梁板，并不需傳給豎向構件的墻柱。此外，該層樓板配置通長兩層縱橫向鋼筋，不僅僅是出于增大剛度的考慮，而且是為了抵抗混凝土收縮和溫度應力的需要。特別是由于房地產開發商的原因和北方地區氣候特點可能導致地下室頂板現澆完成后要裸露一段時間(從幾個月到幾年不等)，為了防止或減少由于暴曬或暴露時間過長而產生的裂縫，配置足夠的樓板雙層縱橫向鋼筋顯得尤為必要。首層樓面考慮較大的施工荷載，計算時其梁板的截面就比較大，這樣有利于滿足首層樓面作為結構嵌固端剛度要較大的要求。

6 基坑支護條件、支護方式及施工回填要求和方式

高層建筑一般都設置地下室，嵌固端的選取要充分考慮地下室外墻參與工作的影響。由于地下室外墻參與工作，地下室的側向剛度一般都大于上部結構相鄰層的側向剛度。特別是，地下室與墻側土層接觸面積大，逸散阻尼增加，導致震動衰減，降低了結構的動力效應。此外，地震作用逼使與地下室接觸的土層發生相應的變形，導致土對地下室外墻及底板產生抗力，約束了地下結構的變形，從而提高了地下室的剛度，限制了地下室的側移。基坑支護條件、方式及回填要求和方式不同，這種作用的大小則不同。側限問題的真實性反映，設計人員很少有人考慮。

在實際工程基礎地基反力測試表明:地基反力一般是邊端大、中間小，反力峰值位于邊端附近；并且，基礎的剛度越大，反力越向邊端集中。而地下室墻側土的回填，相當于基礎四周增加了許多附加荷載，使地基反力趨于平緩，即基礎兩端與中間部位地基反力的差值變小。

7 不同結構計算軟件對結構嵌固端選取

目前比較通用的計算軟件有SATWE、TAT、TBSA或ETABS、SAP等。由于各軟件在采用的計算模型上存在著一定的差異，從而導致了各軟件的計算結果或大或小有所不同。所以，在進行整體結構分析和計算時，必須根據結構類型和計算軟件模型的特點準確選擇合理的結構計算分析軟件，并從不同軟件相差較大的計算結果中，判斷哪個是合理的、哪個是可以作為參考的，哪個又是意義不大的，這將是結構設計人員在進行結構分析計算工作中面臨的首要任務。

8 結束語

地基與基礎設計作為整個結構分析計算的基石，不僅對建筑結構的穩定安全起著至關重要的作用，而且對合理控制工程造價影響較大。基礎埋置深度的確定和結構嵌固端的選取又作為地基與基礎設計的兩個重要環節和關鍵步驟，不僅對基礎選型及結構計算分析產生重要影響，而且還直接影響到整個建筑物結構分析計算的合理性和準確性，決定著結構計算假定和計算模型選取的真實性和正確性。

［1］郁彥.高層建筑結構概念設計[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

［2］包世華,方鄂華.高層建筑結構設計[M].北京:清華大學出版社,2004.