關(guān)于嵌固端與底部加強(qiáng)區(qū)的討論

楊潤濤 康建群

(1.太原市建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030002； 2.太原市普可佳工程設(shè)計有限公司，山西 太原 030006)

關(guān)于嵌固端與底部加強(qiáng)區(qū)的討論

楊潤濤1康建群2

(1.太原市建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030002； 2.太原市普可佳工程設(shè)計有限公司，山西 太原 030006)

對嵌固端、底部加強(qiáng)區(qū)的定義與要求作了簡要說明，采用PKPM軟件對一實際工程進(jìn)行了計算分析，通過計算結(jié)果對比不同樓層能否作為嵌固端，并提出設(shè)計建議，使工程設(shè)計趨于合理。

嵌固端，加強(qiáng)區(qū)，PKPM，側(cè)向剛度比

1 嵌固端的定義

現(xiàn)階段多層，特別是高層混凝土建筑，在進(jìn)行概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算時，必須明確嵌固端的位置。其定義為除能承受軸力、彎矩、剪力之外，X，Y兩個方向的水平位移、豎向位移及位移角均為零的部位。在高層設(shè)計中確定嵌固端就是通過調(diào)整剛度與承載力，使塑性鉸能在預(yù)期的部位出現(xiàn)，并承擔(dān)該處較大的彎矩、剪力及相應(yīng)的軸力。

2 嵌固端的實現(xiàn)要求

框架剪力墻、板柱剪力墻、剪力墻、框架核心筒、筒中筒結(jié)構(gòu)，對于嵌固端的樓層，嵌固層(即嵌固端以下這一層)與相鄰上層側(cè)向剛度之比均有相應(yīng)要求。對于一般的高層建筑為滿足基礎(chǔ)埋置深度不小于建筑物高度的1/18～1/20及樓層使用功能，均會設(shè)置地下室，而高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中(以下簡稱高規(guī))規(guī)定，普通地下室頂板厚度不宜小于160 mm，這就意味著按構(gòu)造要求地下室的頂板已經(jīng)有了剛度上的提高。因此通常考慮將地下室頂板作為嵌固端能達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)效益。

對于地下室頂板作為嵌固端，規(guī)范提出了明確的要求，主要有頂板應(yīng)避免開設(shè)大洞口，樓板厚度不宜小于180 mm；地下1層的側(cè)向剛度宜大于其上一層的2倍，以及相應(yīng)的配筋構(gòu)造要求。如高層地下1層作為設(shè)備間時，層高通常較小，而首層設(shè)大廳、商業(yè)及其他功能樓層時層高會高于標(biāo)準(zhǔn)層，當(dāng)能滿足上述要求時，地下室其他樓板即可采用普通樓板設(shè)計(人防頂板除外)，地下1層以下抗震構(gòu)造措施可逐層降低一級，相應(yīng)的墻、柱配筋可減小，而當(dāng)?shù)叵率翼敯宀荒茏鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固端時，計算嵌固端下移，而相應(yīng)的構(gòu)造要求同時下移。由此可見，地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位是最經(jīng)濟(jì)合理的選擇。

有的樓層因為地下1層與首層層高、平面布置相差不大，無法滿足地下室頂板作為嵌固部位的要求時，嵌固部位應(yīng)下移，保證該層整體性強(qiáng)、樓層無大洞口、樓層的側(cè)向剛度與首層比不小于2，因為側(cè)向剛度比大于2均為嵌固端下一層與首層的比較，而在高規(guī)中規(guī)定嵌固端下一層與其上一層側(cè)向剛度比大于1.5，是指嵌固端上下層之間的比較，設(shè)計中應(yīng)區(qū)分開來。當(dāng)該層樓板作為嵌固端時按要求樓板的厚度不宜小于180 mm，同時應(yīng)考慮地下室實際存在的嵌固作用，其樓板的厚度不宜小于160 mm，這就產(chǎn)生了兩層厚樓板的出現(xiàn)，造成了一定程度的浪費，在設(shè)計中應(yīng)盡量避免。

另外需要注意的是，抗規(guī)中規(guī)定：結(jié)構(gòu)地上1層的側(cè)向剛度，不宜大于相關(guān)范圍地下1層側(cè)向剛度的0.5倍；地下室周邊宜有與其頂板相連的抗震墻。其相關(guān)范圍主要是指主樓外延不大于20 m的范圍內(nèi)。在計算側(cè)向剛度比值時，按規(guī)范要求將主樓周邊地庫計入模型來進(jìn)行計算，可對地下室側(cè)向剛度產(chǎn)生比較大的影響。

3 底部加強(qiáng)區(qū)的設(shè)置

高層帶剪力墻結(jié)構(gòu)中嵌固端的確定直接影響剪力墻的底部加強(qiáng)部位高度的確定。因框支剪力墻屬復(fù)雜高層設(shè)計，其設(shè)計另有規(guī)定及要求，本文不予討論。

剪力墻受地震作用破壞時，前文提到了通過確定嵌固端使塑性鉸在預(yù)期部位出現(xiàn)，而為了使底部出現(xiàn)塑性鉸后具有比較大的延性，需要對該范圍予以加強(qiáng)，這個部位就成為了底部加強(qiáng)區(qū)。即嵌固端為人為定義，而只有通過加強(qiáng)區(qū)的設(shè)置，才能實現(xiàn)這種“定義”，使結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)塑性鉸時能保證承載力、穩(wěn)定性的要求。

底部加強(qiáng)區(qū)的高度應(yīng)由地下室頂板算起，取墻體總高度的1/10和底部兩層二者的較大值，當(dāng)結(jié)構(gòu)計算嵌固端位于地下1層底板或以下時，底部加強(qiáng)部位宜向下延伸至計算嵌固端，即若嵌固部位為地下1層底板時，地下1層亦設(shè)置為底部加強(qiáng)區(qū)。加強(qiáng)區(qū)具體計算措施為截面組合的剪力設(shè)計值，按下式調(diào)整：

V=ηvwVW。

其中，ηvw一級時取1.6，二級可取1.4，三級可取1.2。

計算完成后在施工圖設(shè)計中應(yīng)該在底部加強(qiáng)部位及相鄰的上下一層設(shè)置約束邊緣構(gòu)件(當(dāng)墻肢底截面軸壓比很小時可不設(shè))。

4 實際工程中的應(yīng)用

在建筑方案確定過程中，結(jié)構(gòu)專業(yè)的參與對最終建筑的可實施性、經(jīng)濟(jì)性起很大的作用。在確定建筑物層高，地下室設(shè)置時，嵌固端與底部加強(qiáng)區(qū)的計算能具體的為建筑設(shè)計提出建議。以下是具體的工程案例。

如圖1所示為一工程的剖面，該工程為地下5層、地上26層的住宅，周圍均為5層地下車庫。主樓平面為規(guī)則方形，立面無突變。

采用PKPM建模來進(jìn)行計算，完成后在SATWE計算結(jié)果中選取出各層剛心、偏心率、相鄰層側(cè)移剛度比等等計算信息這一項，為了方便比較，直接截取Ratx，Raty該項來進(jìn)行分析(Ratx，Raty是指X，Y方向本層塔側(cè)移剛度與下一層相應(yīng)塔側(cè)移剛度的比值)。

地下5層：

Ratx=1.000 0，Raty=1.000 0。

地下4層：

Ratx=0.869 1，Raty=0.891 5。

地下3層：

Ratx=0.821 5，Raty=0.897 2。

地下2層：

Ratx=1.167 6，Raty=1.169 7。

地下1層：

Ratx=0.967 7，Raty=0.956 2。

首層：

Ratx=0.813 1，Raty=0.976 9。

根據(jù)計算結(jié)果，地下5層～地下1層與首層的剛度比分別為X向：1.526，1.326，1.089，1.271，1.230；Y向：1.144，1.020，0.915，1.070，1.024，可見地下5層均不滿足與首層側(cè)向剛度比大于2的要求，不能作為嵌固端。

而考慮周圍地下室剛度貢獻(xiàn)，將主樓周圍兩跨并入模型進(jìn)行計算，得出結(jié)果如下：

地下5層：

Ratx=1.000 0，Raty=1.000 0。

地下4層：

Ratx=0.872 8，Raty=0.893 7。

地下3層：

Ratx=0.820 7，Raty=0.903 5。

地下2層：

Ratx=1.167 6，Raty=1.120 1。

地下1層：

Ratx=0.967 7，Raty=0.956 9。

首層：

Ratx=0.758 9，Raty=0.910 6。

其地下5層～地下1層與首層的剛度比分別為X向：1.628，1.421，1.166，1.362，1.318，Y向：1.268，1.133，1.024，1.147，1.098。

由此可見當(dāng)計入主樓周圍地下室進(jìn)行計算時地下室樓層與首層的側(cè)向剛度比得到提高，但仍無法滿足作為嵌固端的要求，其主要原因是由于地下室與地上標(biāo)準(zhǔn)層的建筑平面布置區(qū)別不是很大，而周圍地庫作為車庫使用，層高較大，地下1層車庫層高更是達(dá)到6 m，而地庫外墻距主樓較遠(yuǎn)，不能計入主樓相關(guān)范圍計算，最終導(dǎo)致地下室各層與首層側(cè)向剛度的比值均不能滿足2倍的要求。

結(jié)構(gòu)專業(yè)在得出計算結(jié)果后與甲方協(xié)商，由于周邊地庫面積較大，層高要考慮到整個場地市政設(shè)計與其他主樓，無法改變，而主樓地下1層層高為3 700，亦不能通過加設(shè)設(shè)備層來提高剛度。后與建筑專業(yè)協(xié)商，地下4層與地下5層均設(shè)置人防，主樓及周邊地庫地下4層頂板厚取250 mm，并在周圍地庫設(shè)置設(shè)備間、物資庫，增加混凝土臨空墻、人防門框墻體，最終計算得地下4層與首層的側(cè)向剛度比接近2倍。該工程結(jié)構(gòu)地上層高為78 m，地下室頂板不能作為嵌固部位，則計算層高大于80 m，抗震等級按一級計算，通過與審圖單位的反復(fù)協(xié)商，最終確定地下室4層頂板作為嵌固端，地下1層～地下3層按一級剪力墻要求配置約束邊緣構(gòu)件的豎向鋼筋、箍筋，且豎向鋼筋通至地下4層，地下5層剪力墻按構(gòu)造邊緣構(gòu)件設(shè)計。通過對最終設(shè)計結(jié)果的總結(jié)可以看出，當(dāng)?shù)叵率翼敯宀荒茏鳛榍豆潭耍叵?層，3層同樣不能滿足嵌固端要求時，整個樓層的抗震等級提高，地下室剪力墻邊緣構(gòu)件的配筋同樣造成較大的浪費。并且在結(jié)構(gòu)計算中不考慮土對地下室外墻的約束作用，雖然本工程主樓周圍均為地下室，但地庫地下室頂板以上回填土及地下室頂板處對上部結(jié)構(gòu)的嵌固作用是客觀存在的，因此將嵌固端放在地下1層以下并不符合概念設(shè)計的要求。

5 結(jié)語

嵌固端與底部加強(qiáng)區(qū)屬于結(jié)構(gòu)概念，但其對于整個建筑的經(jīng)濟(jì)合理性至關(guān)重要。建筑專業(yè)人員應(yīng)明確其概念及重要性，同時結(jié)構(gòu)專業(yè)人員也應(yīng)盡可能早地參與到方案設(shè)計的過程中來。通過對比及設(shè)計要求提供建議，使建筑采用較為經(jīng)濟(jì)合理的方案。本次分析僅對高層剪力墻住宅進(jìn)行計算研究，未考慮其他結(jié)構(gòu)類型的設(shè)計計算。建議以后分析研究時，將其他類型的結(jié)構(gòu)計算同時考慮進(jìn)去。

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

[2] JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 朱丙寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問答及分析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[4] 朱丙寅.建筑抗震設(shè)計規(guī)范應(yīng)用與分析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[5] 鄭夢龍.談建筑設(shè)計在建筑抗震設(shè)計中的重要作用[J].山西建筑，2014，40(11)：44-46.

Discussiononthefixedendandbottomstrengthenarea

YANGRun-tao1KANGJian-qun2

(1.TaiyuanArchitecturalandDesignInstitute,Taiyuan030002,China; 2.TaiyuanPukejiaEngineeringDesignLimitedCompany,Taiyuan030006,China)

This paper briefly described the definition and requirements of fixed end, bottom strengthen area, made calculation and analysis on a actual project using PKPM software, through the calculation results compared different floors could be used as a fixed end or not, and put forward the design proposal, made engineering design more reasonable.

fixed end, strengthen area, PKPM, lateral stiffness ratio

1009-6825(2014)33-0034-02

2014-09-10

楊潤濤(1988- )，男，助理工程師； 康建群(1964- )，女，工程師

TU318

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