關于高層建筑上部結構嵌固部位的選取

摘 要：上部結構理想的嵌固部位的選取應綜合考慮地下室周邊土壤側向約束、地下室的側向剛度、地下室頂板大開洞的影響、地下室平面面積和深度對地面加速度的影響等，做到滿足理想嵌固部位要求，還需要較長時間的研究和探索。

關鍵詞：嵌固部位；上部結構；地下室；側向剛度

任何建筑的結構計算模型都有其嵌固部位，上個世紀我國的一般多層建筑，往往是無地下室的建筑，普遍的嵌固部位自然應該選擇為基礎與基礎梁所在的位置，首層計算層高為基礎梁面至二層樓面的高度。隨著我國的經濟發展，對于民用建筑的需求發生了巨大的變化，出現了越來越多帶一層甚至多層地下室的建筑，這種情況下，建筑結構計算時嵌固部位的選取成為工程設計人員常常遇到的問題，如設有地下室而埋深淺不一；地下室層數或多或少；地下室面積大小各有區別；基礎形式也愈趨復雜。根據不同情況正確選取其結構嵌固部位，是合理建立建筑結構計算模型的一個重要前提，不僅關系到結構中相關構件內力分配是否合理，還關系到所計算結構產生的側向位移與實際是否相符，以及結構布置方案的經濟性。因此有必要對結構嵌固部位的選取作比較系統的思考，并由此延伸出一些與之相關的工程技術問題。

1 結構嵌固部位的條件

高層建筑的結構嵌固部位的選擇原則是側向剛度，要求該層具有足夠大的側向剛度才可以確定為結構計算模型的嵌固層。

1.1 不設地下室時

1.1.1 無論是采用天然基礎或樁基礎，都是以基礎（承臺）面作為結構嵌固部位，且必須在標高處的縱橫方向設置剛度較大的基礎梁加以連結，此時首層層高從基礎面算起。

1.1.2 一些總高度較高的建筑，因基礎埋深要求導致首層計算層高太大，穩定性無法滿足要求，便在地面處增設一道基礎梁以減小首層層高，原計算首層被分隔為兩層計算層，如地面標高處設剛性地面，具有一定嵌固作用，但其側向剛度依然遠遠不足，該結構的嵌固層仍應認為是基礎（承臺）面。

1.2 設有地下室時

1.2.1 地下室頂板標高不應高于室外地坪，如半地下室，則首層面不能成為結構嵌固部位。

1.2.2 地下室頂板結構應為現澆混凝土梁板體系，該層應具有足夠的平面內剛度。

1.2.3 地下室應有良好的側向剛度，即地下室側面填土對其有足夠側向約束，前述半地下室頂板即無法滿足此條件。

上述條件中對嵌固層剛度的要求，《建筑抗震設計規范》GB50011-2010規定如下：

[1].地下室頂板應避免大開洞；地下室在地上結構相關范圍的頂板應采用現澆梁板結構，相關范圍外的地下室頂板宜采用現澆梁板結構；其樓板厚度不宜小于180mm，混凝土等級不宜低于C30，應采用雙層雙向配筋，且每層每個方向的配筋率不宜小于0.25%。

[2].結構地上一層的側向剛度不宜大于相關范圍地下一層側向剛度的0.5倍，地下室周邊宜有與其頂板相連的抗震墻。

[3].地下一層柱截面每側縱向鋼筋不應小于地上一層柱對縱向鋼筋的1.1倍，且地下一層柱上端和節點左右梁端實配的抗震受彎承載力之和應大于地上一層柱下端實配的抗彎承載力的1.3倍，地下一層梁剛度較大時，柱截面每側的縱向鋼筋面積應大于地上一層對應柱每側縱筋的1.1倍，同時梁端頂面和底面的縱向鋼筋面積均應比計算增大10%。

該條款目的在于使地下室頂板具有足夠的平面內剛度，能有效的傳遞水平力至全部地下室結構其他非主樓延伸下來的抗側力構件，如地下室外墻，而樓板大開洞將嚴重削弱頂板傳遞水平力的能力。實際工程中，常有因設有露天泳池、大型自動扶梯等導致樓板大開洞，此時應將嵌固部位下移。

要成為上部結構的嵌固部位，其下部結構必須具有足夠的剛度以保證柱根之間不產生相對位移且限制整體絕對位移的幅度，并能承受或平衡柱根彎矩。規范中“當地下室頂板作為上部結構嵌固部位時，結構地上一層的側向剛度，不宜大于相關范圍地下一層側向剛度的0.5倍”正是基于這一點。符合上述條件時，可看作滿足了嵌固部位水平位移及轉角為零這一基本假定。

2 與嵌固部位相關的技術問題

關于對嵌固部位的要求，在工程設計中還可以引申出一些相關的技術問題及設計方法：

2.1 單層地下室

當高層建筑僅設單層地下室，地下室頂板作為上部結構嵌固端時，結構加強部位明確，地下室柱成為上部結構的“強柱根”，且符合國內通用計算軟件PKPM地震效應為地表作用效應的計算原理，計算結果更趨于準確。然而在實際工程設計中，常選擇地下室底板作為嵌固部位，這有利于首層樓面的靈活布置，可設置大孔洞或選用無梁樓蓋結構，仍不影響結構計算的準確性；此外，地下室頂板厚度也可減小，配筋率也由嵌固層所要求的0.25%減小為0.2%，頂板梁及地下室墻柱的設計按一般樓層設計，此時地下室底板作為嵌固部位可取得較好的經濟效益。

2.2 多層地下室

對于多層地下室上部結構的嵌固位置，應由地下室的整體性結構的側向剛度比來確定。如地下室一層頂板存在大開洞，頂板不合適作為嵌固部位，此時可依次驗算并比較地下二層（K-2）及以下各層側向剛度（K-i）與上部結構首層的側向剛度（K1）比，K-i>K1時，即可將第i層地下室頂板作為上部結構的嵌固層。應注意的是，如機械地將地下室各層側向剛度與其相鄰上一層地下室進行對比，絕大多數情況下都無法滿足K-i>2K-i+1，最終只能得出嵌固部位位于基礎頂面的結論，這顯然是很不合理的：結構總的地震效應被人為放大，同時上部結構固定端下移，設計時地下室一層的柱仍應作為上部結構的“強柱根”并延伸至基礎面造成設計經濟性差。

2.3 大底盤多塔樓

大底盤多塔樓大多為商住樓，且由于商用及居住性質不同，對柱網的要求也不同，故通常需設置結構轉換層。當大底盤的商用部分層數少（1～2層），且結構轉換層設于大底盤的屋頂標高處時，大底盤屋面層的剛度常常大于其上一層側向剛度的2倍，從剛度上看，此屋面層滿足嵌固層的設計要求。但應注意，只有地下室才具備對上部結構嵌固的基本條件，大底盤多塔結構即使滿足剛度比的要求也不能作為其上部結構的嵌固部位，而只能作為裙房或剛度突變層考慮。目前高層建筑結構計算軟件的功能已較為完善，因此大底盤多塔樓建筑應以整體結構進行計算，其嵌固部位應選擇在大底盤地下室頂板或基礎頂。

3 結束語

總的來說，上部結構理想的嵌固部位的選取應綜合考慮地下室周邊土壤側向約束、地下室的側向剛度、地下室頂板大開洞的影響、地下室平面面積和深度對地面加速度的影響等，做到滿足理想嵌固部位要求，還需要較長時間的研究和探索。高層建筑的結構設計中，嵌固部位的選取對于結構結果計算的真實性及工程經濟性都有不容忽視的影響，同時，為保證其能像假定條件那樣發揮有效的嵌固作用依然有許多設計理念、技術措施需要結構設計人員不斷的研究探索以及積累更多的工程實踐經驗。

參考文獻

[1]中華人民共和國國家標準.GB50011-2010《建筑抗震設計規范》[s].中國建筑工業出版社，2011.

[2]中華人民共和國國家標準.JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》[s].中國建筑工業出版社，2010.

[3]朱炳寅.建筑結構設計問答及分析（第二版）[J].中國建筑工業出版社，2013.

[4]黃吉鋒，楊志勇.高層建筑結構地下室側向合理約束的討論[J].第二十屆全國高層建筑結構學術會議論文集，2008.