關于高層建筑結構設計中地下室嵌固作用的思考

盧世霞 馮程程

（1.山東華景聯合建筑設計有限公司，山東 青島 266033；2.青島集合工程設計咨詢有限公司，山東 青島 266033）

1 對地下室嵌固作用的認識

嵌固層，是以一個堅硬、穩定，可以牢固握裹住上部結構的一個剛體，比如旗桿下面的臺座。嵌固層的作用是能限制上部結構在水平方向的平動位移和轉動位移，并能將上部結構的剪力全部或大部傳遞給下部結構，使上部結構豎向構件的塑性鉸出現在豎向構件的根部，這就要求作為嵌固端的下部結構必須具有較大的側向剛度，以保證事實嵌固端的形成。

1.1 嵌固水平位移法

嵌固水平位移法即通過考慮地下室水平位移的側向嵌固來考慮回填土的約束作用。主要涉及到地下室結構與相鄰上部結構樓層的側向剛度比。側向剛度的計算主要有三種方法：

（1）地震剪力與地震層間位移比。是一種與外力有關的計算方法，規范中規定的不僅包括了地震力產生的位移，還包括了用于該樓層的傾覆力矩產生的位移和由于下一層的樓層轉動而引起的本層剛體轉動位移。

（2）剪彎剛度。本質上就是單位力作用下的層間位移角，所以其剛度比也就是層間位移角之比。它雖然能同時考慮剪切變形和彎曲變形的影響，但并沒有考慮上下層對本層的約束。

1.2 結構軟件對地下室結構的處理方法

（1）以地下室底板作為嵌固端，取相對剛度比為0。這樣的方式沒有對地下土體對整個地下室側面的嵌固作用的影響進行考慮，從而增加了計算的高度，使得模型和實際的狀況有不同，一般都不適用。

（2）取地下室底板作為嵌固端，取相對剛度比為2～4，一般取3。這種方法對地下室外的土壓力有一定的考慮，但是由于土對地下室的約束作用的影響因素十分復雜，難以確定具體約束作用的大小，這種方法雖不夠精確，但是相比前一種方法稍好，也是目前工程界應用最多的方法。

（3）取地下室嵌固端在地下室頂板處，地下室結構與上部結構分開計算，或者整體計算，但是相對剛度比取5或者更大。這種方法假定地下室相對于水平位移和豎向位移完全被嵌固，導致結構的剛度有所增加，從而與實際情況有所差異。

1.3 地下室頂板作為上部結構嵌固部位的具體需求

如果將地下室頂板當作上部結構的嵌固端，就應當使其具備足夠的平面內剛度，這樣才能很好地傳遞地震基底的剪力。但是，目前不少建筑物主體結構都同地下車庫相連通，而地下車庫又不止和一個建筑物相連。同時，因為車庫頂一般有0.8～1.8米高度的覆土，使得地下車庫的頂板同主樓地下室的頂板存在著一定高差。如果將地下室頂板當作上部結構的嵌固端，能夠讓結構建立模型在很大程度上得到簡化。地下室頂板能不能有效傳遞主樓地震基底的剪力，將是此種嵌固端位置合理性的關鍵。所以，在地下室頂板錯層處進行加腋加強是非常重要的。假定加腋處簡化，則斜桿內力為：

N=N1/cosα （1）

式中，N1是地下室頂板傳遞過程中所需要的主樓嵌固端基底反力；α則是所加腋同地下室頂板之間的夾角。由式（1）可得出，當α為零時，也就是說地下室頂板沒有錯層，這時頂板能夠完全傳遞基底反力。當然其依賴于樓板有足夠的平面內剛度；當α趨于90°時，即錯層處未加腋，則N1均由錯層處豎向構件承擔。而錯層越大，斜桿越長，加腋處因局部加強過強，易造成其他部位的破壞。因樓板平面外剛度有限（其與樓板周邊所受約束有關），為了能夠有效地保證基底剪力正常傳遞，可以在上部結構主要抗側力的豎向構件處加設暗梁；在上部結構建立模型的時候，對于主體結構的地下一層來講，應當擁有足夠的抗側力剛度，這樣才能夠有效地減少基底剪力對地下室相關范圍內構件的影響。

2 嵌固端選取的技術問題分析

2.1 單層地下室

當高層建筑僅設單層地下室且底板采用天然地基筏板基礎或樁―筏基礎時，通常選擇基礎底板而非首層作為結構嵌固端，這有利于充分利用其基礎的“無限”剛度，為首層樓面的靈活結構選型創造條件，即使是首層樓面留有大孔洞，或選用無梁樓蓋結構，都不影響結構計算的準確性。此外，規范規定地下室負一層的抗震等級與上部結構必須一致，以基礎底板作為嵌固端不會造成地下室結構造價的提高，反而可能取得較好的經濟效益。

2.2 投影面積比例

高層塔樓在地下室頂板上的投影面積比例大小對首層作為嵌固端的結構有著不同的影響。當該比例=l時，若首層樓面符合作為嵌固端的其它條件，則該首層作為結構嵌固端就毫無疑問了，但當上述投影面積比例＜l時，說明地下室側限遠離塔樓，塔樓發生的側向位移將波及首層樓面并使其發生變形，即使變形很小，但嚴格說來首層作為嵌固端的剛度必然小于前一種情況，且變形又增大了上部結構側移的計算值，同時首層骨架構件也會由于自身的變形而產生附加內力。作為有經驗的結構工程師，在實際設計中都會根據工程實際情況予以鑒別并作出相應的結構處理。

3 結語

在高層建筑結構設計中，無論選擇哪個部位作為結構嵌固端，都可以通過結構計算程序獲得準確的計算結果，但我們期望的是計算結果較真實地反映結構的實際情況。為了達到這一目的，我們要依據實際情況和條件，合理的選擇結構的嵌固端。