基于高層建筑淺談嵌固部位設計要點

馬偉

青海建筑勘察設計研究院有限公司 青海西寧 810001

摘要：本文以高層建筑嵌固為例，首先介紹了高層建筑嵌固部位在設計中的選取，同時重點闡述了嵌固部位設計要點，以確保建筑物的質量。

關鍵詞：高層建筑；嵌固部位；設計要點

1、高層建筑嵌固的含義概述

1.1 計算嵌固端（計算模型的嵌固端或力學嵌固端或剛度嵌固端）

1.2 抗震嵌固端（預期塑性鉸出現的部分或強度嵌固端）其實這兩個嵌固端之間沒有直接聯系，而是指的一個事物的三方面，剛度、強度及延性。

高層建筑地下室結構的抗震設計，多數高層建筑都帶有面積較大的地下室，大底盤上有高層建筑，有層數不多的裙房，也可能只有地下室無地上建筑，一般地下室周邊的擋土，在平面內有很大的剛度，墻外土體對地下室有很強的約束，包括前方被動土壓力及側面土摩擦力，限制了側向位移，導致高層建筑在地下室頂部產生剛度突變。在地震作用下，很有可能使高層建筑的塑性鉸由基礎頂部轉移到地下室頂部以上。《規范》規定高層建筑地下室結構的剛度和承載力適當加強，可以考慮地下室頂部為上部結構的嵌固部位，所謂嵌固部位也就是預期塑性鉸出現部位。確定嵌固部位就可以通過剛度和承載力調整迫使塑性鉸在預期部位出現。

2、高層建筑嵌固部位的選取要點

2.1 帶地下室高層建筑嵌固在地下室頂板部位的條件，滿足以下條件可以做為上部結構嵌固部位。

①地下室層數不少于2層；

②地下室的樓層剪切剛度不小于相鄰上部結構樓層剪切剛度的2倍。

GoAoh1

———≥2，Ao，A1︱=Aw-0.12Ac

G1A1ho

該公式中的Go，G1——地下一層及地上一層的混凝土剪變模量；

Ao，A1——地下一層及地上一層的折算受剪面積；

Aw——沿計算方向，抗震墻全部有效面積；

Ac——地上一層或地下一層的全部柱截面面積，當柱的截面寬度不小于300mm且長寬比不小于4時，可按抗震墻考慮。

計算多塔大底盤的地下室樓層剪切剛度比時，大底盤地下室的整體剛度與所有塔樓的總體剛度應滿足上述公式的要求，每棟塔樓范圍內的地下室剪切剛度與相鄰上部塔樓的剪切剛度比不宜小于1.5。

當有地下室時。地下室側壁要有很好的側限，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，出現了錯層，錯層部位的基礎部分水平構件和豎向構件應連成整體從而不考慮側限問題。

③地下室頂板結構應設計成梁板結構體系（不能設計為無梁樓蓋）。

2.2 當高層建筑無地下室時。①當基礎埋置較淺時，無論采用天然地基基礎還是樁基礎，都是以基礎（承臺）頂面作為嵌固部位，而且在此標高處縱橫兩個方向應設剛度較大的梁連接，此時首層層高計算高度取至基礎（承臺）頂面。②當基礎埋置較深時，通常在地面標高處設剛性地面作為結構嵌固部位，首層的計算高度取至剛性地面。基礎（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（承臺）頂面，這樣層高過大，墻、柱截面相應也比較大，容易形成薄弱層，這樣做既不經濟也給結構帶來了不利。

2.3 地下室一層頂板作為嵌固部位時。①地下室一層的抗震等級應與上部結構相同，地下室一層以下樓層結構的抗震等級可根據具體情況采用三級或四級。②地下室頂板應避免開設大洞口（地下室頂板必須具有足夠的平面內剛度，以有效傳遞地震基底剪力）地下室在地上結構相關范圍一般可從地上結構（主樓、有裙房時包括裙房）周邊外延不大于20m的頂板應采用現澆梁板結構，相關范圍以外的地下室宜采用現澆梁板結構；其樓板厚度不小于180mm，混凝土強度等級不宜小于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%。③地下一層柱截面每側縱向鋼筋不應小于地上一層柱對應縱向鋼筋的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震受彎承載力之和的1.3倍（用于框架結構）。特別注意當框架柱嵌固在地下室頂板時，位于地下室頂板的梁柱節點應按首層柱的下端為“弱柱”設計，即地震時首層柱底先屈服、出現塑性鉸，但地下室一層對應的框架柱不應屈服。截面抗震受彎承載力所對應的彎矩值，應根據軸力設計值、實配鋼筋面積和材料強度標準值等確定。④地下一層抗震墻墻肢端部邊緣構件縱向鋼筋的截面面積，不應少于地上一層對應墻肢端部邊緣構件縱向鋼筋的截面面積（用于剪力墻結構）。

3、高層建筑嵌固部位的設計要點

3.1 地下室頂板作為上部結構嵌固部位時，框架結構的地下室頂框架梁柱的抗彎剛度要足夠大，保證首層柱的下端為“弱柱”設計，即地震時首層柱底屈服、出現塑性鉸。為避免框架柱在嵌固部位過早屈服，影響結構的抗傾覆能力，地下室頂板及其下層豎向結構構件的設計應適當加強，以符合作為嵌固部位的要求。梁端截面實配的受彎承載力應根據實配鋼筋面積（計入受壓筋）和材料強度標準值等確定；柱端實配的受彎承載力應根據軸力設計值、實配鋼筋面積和材料強度標準值等確定。①地下一層柱截面每側的縱向鋼筋面積除應符合計算要求外，還應比地上一層對應的柱大10%以上；地下一層梁端頂面和底面的縱向鋼筋應比計算值增大10%采用；②地下一層柱每側的縱向鋼筋面積比地上一層對應的柱大10%以上，且地下室頂板梁柱節點左右梁端截面與下柱上端同一方向實配的受彎承載力之和不小于地上一層對應柱下端實配的受彎承載力的1.3倍。

3.2 地下室頂板作為上部結構嵌固部位時，剪力墻結構應控制在嵌固部位以上一定高度范圍內發生屈服，出現塑性鉸。這個高度范圍作為底部加強部位，應加強抗震構造措施，提高其彈塑性變形能力，加大結構的抗傾覆能力。地下室與上部對應的剪力墻墻肢端部邊緣構件的縱向鋼筋截面面積不應小于地上一層對應的剪力墻墻肢邊緣構件的縱向鋼筋截面面積。當地下一層側向剛度與地上一層側向剛度比值滿足地下室頂板作為上部結構嵌固部位的要求，但由于首層建筑功能的要求，地下室頂板開有大洞口時，地下室頂板不能作為結構嵌固部位，此時應下移嵌固部位位置。

3.3 當高層建筑僅設單層地下室時，結構設計者通常選擇地下室底板作為結構嵌固部位。這是因為高層建筑地下室底板應進行防水設計，結構厚度不小于250mm，這樣可以充分利用地下室底板和基礎的剛度。不過，此時仍然建議在設計時，將頂板處按嵌固部位的要求進行處理，并采取相應的加強措施。因為結構在地震作用下，地下室很少發生嚴重破壞，基本都是上部結構發生破壞。選擇地下室底板作為結構嵌固部位，由于降低了對地下室頂板的要求，首層樓面設置大孔洞，也不影響結構計算的準確性，可以滿足首層建筑功能的靈活布置，反而可能取得較好的使用空間。此時，由于結構計算嵌固部位位于地下室底板，剪力墻底部加強部位宜向下延伸到計算嵌固部位，底部加強部位的高度仍從地下室頂板算起。以地下室底板作為嵌固部位不會造成地下室結構抗震等級的提高，不會帶來經濟效益的損失。

3.4 高層建筑沒有設置地下室時，通常情況下嵌固部位就是結構的底部。高層建筑不設地下室通常是基礎持力層非常好的情況，或者是層數不多的小高層，但從抗震設計考慮，高層建筑宜設地下室。當高層建筑不設地下室時，無論采用何種類型的基礎，結構嵌固部位就是基礎面，即結構的底部。為保證嵌固部位的剛度，應該在基礎面標高處設置一定剛度的基礎梁加以連接。這種情況下，首層層高應從基礎面算起。抗震設計時，框架-剪力墻結構、板柱-剪力墻結構、剪力墻結構、框架-核心筒結構、筒中筒結構，底部嵌固樓層層間位移角結果較小，要求樓層與相鄰上層的側向剛度比值不宜小于1.5。如果基礎面與首層頂標高的距離較大，有些墻體穩定驗算不滿足要求，需要剪力墻加厚或加長。這些或多或少的影響首層建筑功能。高層建筑沒有設置地下室時，結構設計者通常不增加首層剪力墻厚度及框架柱斷面，而是在地面標高處做結構處理（例如：增設梁板結構層），仍選擇基礎底板作為結構嵌固部位進行設計。這種處理，不但能保證嵌固部位形成，而且使實際設計與結構計算簡圖很好的符合。

4、結束語

由于各個單體工程建筑面積、建筑風格和建筑功能等的差異，結構要求是不同的，高層建筑結構嵌固部位的選取不是固定的。在高層建筑結構設計中，我們期望的是結構計算結果的準確性，結構計算分析的力學模型能較好的反映結構的實際情況。因此，在確定嵌固部位的位置后，結構設計中采取哪些措施，如何保證其成為真正的嵌固部位，是設計者應該不斷探索的。

參考文獻：

【1】JGJ3一2010高層建筑混凝土結構枝術規程，中國建筑工業出版社，2012

【2】GB50011一2010建筑杭震設計規范，中國建筑工業出版社，2010

【3】張維斌《對確定結構底部嵌固部位的一點看法》