談合理選擇建筑嵌固端的重要性和方案比較

李 國(guó) 威

(武漢凌豪工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司,湖北 武漢 430060)

談合理選擇建筑嵌固端的重要性和方案比較

李 國(guó) 威

(武漢凌豪工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司,湖北 武漢 430060)

從建筑的安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用性等方面，闡述了合理選取嵌固端的重要性。通過(guò)具體工程項(xiàng)目的運(yùn)用，提出了建筑嵌固端的常用選取方案并進(jìn)行了分析比較，得出最優(yōu)方案，從而解決了建筑安全性、經(jīng)濟(jì)性和適用性難以兼顧的難題，取得了滿(mǎn)意的結(jié)果。

嵌固端，側(cè)向剛度，安全性，經(jīng)濟(jì)性

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，尤其是中心城市地區(qū)，高層建筑越來(lái)越多。這些高層往往都設(shè)計(jì)帶有地下室，這樣會(huì)帶來(lái)很多好處。從經(jīng)濟(jì)性角度，現(xiàn)在中心地區(qū)土地供應(yīng)受到政策限制，土地成本急劇增加，而高效的利用地下空間(如將停車(chē)庫(kù)轉(zhuǎn)入地下)，可以增加有效使用面積和空間，從而取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。從安全性角度，高層建筑設(shè)置地下室，可以有效利用土的側(cè)壓力作用，提高結(jié)構(gòu)的整體抗滑移和抗傾覆性能，有利于上部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。而且由于基礎(chǔ)會(huì)有較深的埋置深度，可以減小地震作用影響。從適用性角度，高層建筑設(shè)置地下室可以顯著減少地基的附加壓力，進(jìn)而減小建筑沉降，防止過(guò)大的沉降差給建筑使用功能帶來(lái)影響。

由于高層建筑設(shè)置地下室的種種有利因素，建筑經(jīng)常出現(xiàn)一個(gè)大地下室地盤(pán)上面幾棟高層建筑的結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，而嵌固部位的確定對(duì)建筑的經(jīng)濟(jì)、抗震性能及結(jié)構(gòu)合理性影響較大。所以嵌固端的合理選取顯得尤為重要。

1 嵌固端的概念

高層建筑相當(dāng)于豎向“超長(zhǎng)”的懸臂結(jié)構(gòu)，頂部為自由端，底部為固定端，也就是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)里面的嵌固端的概念。顧名思義，從不同角度來(lái)講，某處必須具備“固定端”相應(yīng)的性能，才能被當(dāng)作嵌固端。首先，從位移角度來(lái)說(shuō)，不允許構(gòu)件在此部位有任何位移。其次，從力學(xué)角度，嵌固端就是預(yù)期出現(xiàn)塑性鉸的位置，而且能夠承受建筑的最大極限彎矩和剪力的部位，因此須具備出眾的剛度和強(qiáng)度。

2 規(guī)范對(duì)建筑嵌固端要求的相關(guān)條文規(guī)定

帶地下室的建筑，一般嵌固端選取為基礎(chǔ)頂或地下室頂板。其中基礎(chǔ)頂一般假定為無(wú)限剛，滿(mǎn)足作為嵌固端的要求。而當(dāng)選取地下室頂板為嵌固端，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》12.2.1條的要求，須滿(mǎn)足以下規(guī)定：

1)地下室頂板應(yīng)避免開(kāi)設(shè)大洞口，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C30，作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的地下室樓層的頂樓蓋應(yīng)采用梁板結(jié)構(gòu)，樓板厚度不宜小于180 mm，應(yīng)采用雙層雙向配筋，且每層每個(gè)方向的配筋率不宜小于0.25%(高規(guī)3.2.2條、3.6.3條)。

2)高層建筑結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中，當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，地下1層與首層側(cè)向剛度比不宜小于2(高規(guī)5.3.7條文解釋?zhuān)罕緱l給出作為結(jié)構(gòu)分析模型嵌固部位的剛度要求。計(jì)算地下室結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度時(shí)，可考慮地上結(jié)構(gòu)以外的地下室相關(guān)部位的結(jié)構(gòu)，“相關(guān)部位”一般指地上結(jié)構(gòu)外擴(kuò)不超過(guò)三跨的地下室范圍)。

3)地下有多層地下室(如圖1所示)，嵌固端要求如下:

a.如采用地下2層頂板為嵌固端時(shí)，地下2層對(duì)首層的側(cè)向剛度比K-2/K1不小于2；且地下2層對(duì)地下1層的K-2/K-1不應(yīng)小于1。b.如采用地下1層頂板為嵌固端時(shí)，地下1層對(duì)首層的側(cè)向剛度比K-1/K1不小于2；且地下2層對(duì)地下1層的K-2/K-1不應(yīng)小于0.7。

4)地下1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1層對(duì)應(yīng)墻肢端部邊緣構(gòu)件縱向鋼筋的截面面積。

5)地下室頂板與室外地面的高差小于地下室層高的1/3，且不大于1.0 m。地下室要滿(mǎn)足上述條件才能確定為嵌固端，如不滿(mǎn)足上述條件時(shí)，一般應(yīng)把嵌固端設(shè)為基礎(chǔ)頂。

3 正確且合理的選取地下室嵌固端的重要性

3.1 安全性方面

由于汶川地震后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范通過(guò)重新整核后新發(fā)行了一套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，在現(xiàn)行規(guī)范中，對(duì)地下室嵌固端的要求較嚴(yán)。結(jié)構(gòu)嵌固端位置的確定對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性至關(guān)重要，如果錯(cuò)誤的定義了結(jié)構(gòu)的嵌固端，將會(huì)在模型計(jì)算中造成計(jì)算結(jié)果失真，從而在設(shè)計(jì)中留下安全隱患。尤其對(duì)于地下室層數(shù)較多的建筑，錯(cuò)誤的定義嵌固端，有可能使得地下室樓層結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)選取錯(cuò)誤，從而選用與實(shí)際情況不對(duì)應(yīng)的抗震措施，產(chǎn)生安全隱患或提高建筑成本。

3.2 經(jīng)濟(jì)性方面

高層建筑嵌固端選取不同的位置，將影響地下室樓層的抗震等級(jí)、抗震措施的適用性，進(jìn)而直接影響柱、梁、板的斷面尺寸和配筋要求，最終對(duì)經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響。對(duì)帶地下室的高層建筑，一般嵌固端選取為基礎(chǔ)頂或地下室頂板。當(dāng)嵌固端選取位置為地下室頂板時(shí)，可充分利用地下室結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度以及周?chē)餐翆?duì)建筑的約束作用，降低地震作用對(duì)地下室樓層的影響，從而節(jié)約成本。但與此同時(shí)，有時(shí)為了滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)于嵌固端的構(gòu)造要求，需增設(shè)墻體、增加墻厚，地下室頂板最小厚度和配筋率都需相應(yīng)增加，從而增加造價(jià)和成本。

3.3 適用性方面

嵌固端選取位置不同，可能會(huì)對(duì)建筑的使用功能產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的適用性。比如，當(dāng)嵌固端選取位置為地下室頂板時(shí)，一方面，有時(shí)為了滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)于地下室頂板嵌固端的要求，須增設(shè)墻體以達(dá)到剛度要求，且頂板開(kāi)洞也受到較為嚴(yán)格的限制，如此一來(lái)對(duì)建筑空間的布局有較大的影響，可能影響建筑的某些使用功能。另一方面，對(duì)于帶大底盤(pán)的高層建筑，主樓周?chē)嚓P(guān)區(qū)域的梁板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，有利于抑制主樓與大底盤(pán)之間的沉降，避免結(jié)構(gòu)因沉降而產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而防止地下室滲水而破壞建筑的使用功能。

4 合理選擇建筑嵌固端

某項(xiàng)目為一個(gè)帶有大底盤(pán)地下室的單棟高層建筑，層數(shù)為30層，主樓范圍內(nèi)建筑要求如下：層高均為2.9 m，地下室層高為5.4 m。由于層高相差較大，地下室頂板處上下樓層剛度比難以達(dá)到嵌固端要求。根據(jù)實(shí)際情況，提出三種確定嵌固端的結(jié)構(gòu)方案并進(jìn)行計(jì)算比較：

方案一：嵌固端設(shè)置在基礎(chǔ)頂。此種情況，將地下室和上部結(jié)構(gòu)“一視同仁”，均為基礎(chǔ)嵌固端以上的上部結(jié)構(gòu)。首先，由于基礎(chǔ)頂面視為無(wú)限剛，可以不用太受限于嵌固端側(cè)向剛度比值的要求，使得建筑空間要求可以盡量得以滿(mǎn)足，建筑功能適應(yīng)性更好。其次，由于地下室頂板上覆土和行車(chē)荷載均較大，計(jì)算所需的板厚均較大；地下室頂板靠近主樓的相關(guān)范圍，受主樓傳來(lái)的荷載影響較大，梁柱構(gòu)件尺寸均明顯較大；為了抑制主樓與大底盤(pán)之間的沉降，避免結(jié)構(gòu)因沉降而產(chǎn)生裂縫，主樓周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的地下室頂板均需要人為加強(qiáng)，如此一來(lái)，頂板處各種加強(qiáng)，已經(jīng)比較接近嵌固端的部分要求，如果不加以利用，從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)說(shuō)是不可取的。

方案二：嵌固端設(shè)置在地下室頂板。為了滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)嵌固端上下樓層側(cè)向剛度比的要求，在主樓地下室相關(guān)范圍內(nèi)增設(shè)剪力墻。此時(shí)地下室增設(shè)剪力墻較多，使用功能受到較大限制，極大地影響了建筑的使用功能。

方案三：嵌固端設(shè)置在地下室頂板，同時(shí)在主樓范圍內(nèi)增設(shè)夾層。主樓范圍內(nèi)的夾層，既能充當(dāng)設(shè)備夾層，也能使主樓地下室的計(jì)算層高減小，在少量增設(shè)剪力墻的情況下，便可使側(cè)向剛度大幅提高，滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)于嵌固端剛度比的要求。同時(shí)，地下室增設(shè)剪力墻較少，也使得地下車(chē)庫(kù)使用功能比較靈活。雖然增設(shè)設(shè)備夾層時(shí)所設(shè)的剪力墻所產(chǎn)生的混凝土量、含鋼量略為增加，但大大的解決了地下室使用功能及設(shè)備管道安裝問(wèn)題，有相當(dāng)好的適用性。綜合比較，方案一經(jīng)濟(jì)性不明顯，僅僅在建筑功能適用性方面比較占優(yōu)。方案二經(jīng)濟(jì)性不錯(cuò)，但是結(jié)構(gòu)適用性很差，嚴(yán)重影響建筑的使用功能。方案三在經(jīng)濟(jì)性和適用性上，表現(xiàn)都相當(dāng)不錯(cuò)，綜合考慮，是性?xún)r(jià)比最高的。另外，本人認(rèn)為，為了保證建筑的地基穩(wěn)定性，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》5.1.4條對(duì)建筑的基礎(chǔ)埋置深度做了要求，而主樓地下室部分周?chē)鷽](méi)有覆土，約束較差，而采取增設(shè)夾層，大大提高了地下室的剛度和整體性，使得穩(wěn)定性能明顯提高。因此，參建各方綜合考慮，認(rèn)為方案三為最優(yōu)方案，取得了各方的一致認(rèn)同。

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

[2] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50007—2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Onimportanceofreasonableselectionforconstrainedendofbuildingsandschemecomparison

LiGuowei

(WuhanLinghaoEngineeringDesignConsultancyCo.,Ltd,Wuhan430060,China)

From the safety, economy and adaptability of the buildings, the paper illustrates the importance for the reasonable selection for the constrained end, points out the common selection schemes for the architectural constrained ends with the application of the engineering programs, undertakes the analysis and comparison, and concludes the optimal scheme, so as to solve the difficulties in the architectural safety, economy and adaptability, so as to achieve satisfactory results.

constrained end, lateral stiffness, safety, economy

TU974

：A

1009-6825(2017)24-0048-02

2017-06-14

李國(guó)威(1990- ),男,助理工程師