淺析結構嵌固端的選取

翟瑩

摘要;本文針對高層住宅建筑結構設計常遇到的嵌固端合理選取這一問題，對帶地下室的上部結構嵌固端需滿足的計算條件及結構構造措施等問題進行探討。

關鍵詞：高層建筑、嵌固端、構造措施

前言

隨著經濟的發展，人民生活水平的提高，城市中心用地日益緊張，停車位需求也越來越高，新建建筑的地下室規模和數量也在不斷增多。帶地下室的多塔式住宅是高層建筑中較為常見的一種結構形式，在針對高層建筑工程實施設計工作之前，最為關鍵的就是需要找到適合的嵌固端安設的位置。本文針對嵌固端的選取及設計過程中需要注意的問題，進行了相應的探討總結。

一.嵌固端合理選取的重要性

對于帶有單層或者多層地下室的高層建筑，嵌固端不但可以選擇在地下室頂板結構來進行安設，也可以選擇地下室基礎位置。在針對性的實施結構設計工作的過程中，如果缺少對嵌固端的位置選擇的綜合考慮，將會對后續的結構設計埋下安全隱患，如地下室結構的抗震等級，地下室頂板設計及上部結構的合理計算模型等，都會有較大影響，所以正確選取嵌固端是結構設計的重要假定。其具體意義如下：

1、高層建筑結構嵌固端的確定是結構概念設計的重要部分，因為嵌固位置的合理性會對結構模型的整體效果造成直接的影響，涉及到結構構件的內力分配、地下室抗震等級、水平荷載下側向位移等，這將直接影響配筋結果，將對整個建筑的安全產生影響。

2、對于帶地下室的多塔式住宅建筑，特別是對于各塔層高不同的多塔，若以地下室頂板作為上部結構的嵌固端，可以簡化模型進行設計計算。

3、結構嵌固端的確定關系著結構的經濟性。以地下室頂板為上部結構的嵌固端，減小了整體結構的計算高度，且結構的加強部位也將會受到影響。雖然作為嵌固端，地下室頂板板厚及板配筋等增加，會影響局部的經濟成本，但較總體而言，對整體結構的經濟性還是有利的。

4、結構嵌固端的確定關系著結構構造措施的選取。如果以地下室頂板作為上部結構的嵌固部位，則地下室頂板結構形式、頂板厚度、開洞情況、記憶塑性鉸位置等均需滿足一定的要求。

上述幾點，充分說明嵌固端的正確選取，對建筑的結構合理性、抗震性能以及建筑的經濟性而言都非常重要。

二.設有地下室的上部結構嵌固端的選取原則及構造措施

高層建筑結構嵌固端的選取面臨著各種不同情況，如不設地下室但基礎埋深較大，設有地下室但其層數或多或少等不同情況。為便于探討總結，以下論述主要針對帶一層地下室的高層住宅。

帶地下室的建筑，從經濟和設計簡化角度出發，宜將上部結構的嵌固部位設置在地下室頂板，根據現行設計規范GB50011-2010《建筑抗震設計規范》（2016年版）第6.1.14條條文說明可知，此處所述的地下室是指，全埋地下室;對于在山（坡）地建筑中出現地下室各邊埋深深度差異較大時，建議設置獨立的支擋結構。但由于城市綠化的需求，現狀大部分地下室頂板均設有1.2m～2m左右的綠化覆土，這將導致主體建筑范圍內的地下室頂板與其相關范圍內的地下室頂板高差較大，這種情況下，一般要求該高差宜小于本層層高的1/3。

當設計中，以地下室頂板作為嵌固端時，由規范GB50011-2010《建筑抗震設計規范》（2016年版）第6.1.14條理解，應滿足以下條件：

1、平面剛度：應避免在地下室頂板開設大洞口，確保上部結構嵌固端部位的整體性，且地下室頂板必須具有足夠的平面內剛度，以有效地傳遞地震基底剪力。現有較多地下室頂面采用無梁樓蓋結構，相對梁板結構而言，無梁樓蓋的平面外剛度較小，難以符合剛性樓板假定的基本要求，而且在豎向荷載作用下，無梁樓蓋將產生較大的平面外變形，而地下室頂板作為上部結構的嵌固部位，將承受很大的水平地震力，無梁樓蓋的平面外變形，非常不利于傳遞水平地震剪力和協調結構變形。故規范提出地下室在地上結構相關范圍的頂板應采用現澆梁板結構，相關范圍以外的地下室頂板宜采用現澆梁板結構;現澆板厚不宜小于180mm，混凝土強度不宜小于C30，雙層雙向配筋，配筋率不宜小于0.25%等構造措施要求以達到加強頂板的平面內和平面外剛度，并確保樓板整體性的目的。

但是現有建筑地下室采用自然通風采光，在地下室頂板開許多較大洞口，導致樓板不連續;再者建筑設置下沉廣場、商場自動步梯等導致樓板開大洞。以上所述情況都會致使樓板的整體性削弱太多，這種情況將迫使嵌固部位下移。

2、側向剛度：結構地上一層的樓層側向剛度，不宜大于相關范圍地下室一層側向剛度的0.5倍（見圖一）;地下室周邊已有與其相連的抗震墻。在確定嵌固端量化指標的樓層側向剛度比計算中，只考慮結構自身的側向剛度比是合理的，而在嵌固端確定后的結構設計中，應考慮地下室外圍填土對地下室剛度的貢獻，并進行相關的設計計算。此處相關范圍與第1條同，指地上結構主體以外不大于3跨或20m的范圍（圖二）。

3、當確定地下室頂板作為嵌固部位時，地下室頂板對應于地上框架柱的梁柱節點均應滿足6.1.14條相關規定，如：1）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;并且地下一層支柱結構頂部左右梁頂端的抗震受力載荷能力超出了地上一層柱下段結構的抗載荷能力。2）如果地下一層梁結構的剛度水平相對較高的時候，支柱橫截面的縱向鋼筋面積應當保證超出每側縱向鋼筋的大小。同時梁端頂面和底面的縱向鋼筋面積均應比計算增大10%以上。此規定是通過配筋以增大柱截面實際受彎承載力的辦法，以確保塑性鉸只出現在上柱底部截面。同理，地下一層剪力墻墻肢端部邊緣構件縱向鋼筋的截面積不應小于地上一層對應墻肢端部邊緣構件縱向鋼筋截面積。關于加大地下室縱向鋼筋問題中，還應將地下室增加的縱向鋼筋在地下室頂層梁板內彎折錨固，避免同時對一層柱底截面實際受彎承載力的加大。

4、地下室的抗震等級及加強部位等設置，均需根據具體的嵌固端部位來確定。如地下室抗震等級的確定，根據GB50011-2010《建筑抗震設計規范》（2016年版），第6.1.3條3）知，嵌固端的選取影響著多層地下室的抗震等級。當地下室頂板作為上部結構的嵌固端部位時，地下室一層抗震等級與上部相同，地下一層以下抗震構造措施的抗震等級可逐層降低一級。在規范JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》7.1.4條1）、3）均對底部加強部位做出了規定，底部加強部位從地下室頂板算起，當結構計算嵌固端位于地下一層底板或以下時，底部加強部位宜延伸到計算嵌固端。

從結構受力角度而言，地下室頂面滿足上述嵌固部位要求的條件，應盡量將上部結構的嵌固部位選擇在地下室頂面。

當地下室頂板不能作為上部結構嵌固部位時，因回填土對地下室結構的約束作用很大，結構設計中也應該考慮地下室頂板處實際存在的嵌固作用，并采取相應的加強措施。以上部結構嵌固端為基礎頂為例，最終的結構計算結果應取不同嵌固部位（基礎頂和地下室頂板）分別計算，包絡取值。

三、不設地下室高層住宅建筑嵌固端的選取

高層建筑不設地下室通常是針對層數有限的小高層，或者其基礎持力層較淺的情況，但從抗震角度考慮是不提倡的。

1、不管結構基礎采用的是何種基礎，一般都是以基礎或者承臺面作為嵌固部位，且必須在該標高處的縱橫方向設置剛度較大的基礎拉梁加以連結，故首層層高應從基礎面算起。

2、若基礎面標高與首層標高有一定距離而不設置基礎拉梁或其剛度過小，則地面標高處設置剛性地面作為結構嵌固端，首層層高可從地面層算起。

四、實例分析——三亞某項目結構設計

本項目地下二層車庫，地上部分為5棟高層住宅樓及附屬商業樓，住宅樓為剪力墻結構，商業樓為框架結構。平面圖如下： 其中1～4號主樓下均為兩層地下室。結構計算時，由于地下室層高不大，非人防區域， 2號樓負一、二層主體剪力墻墻厚先按照200mm計算，計算所得側向剛度比不滿足地下室頂板作為嵌固端條件。如不能將地下室頂板作為嵌固端，那么結構設計中帶來以下問題：2號樓首層局部為幼兒園教室，根據規范要求，此部分抗震等級提高一級，若嵌固端為基礎頂，那么地下室一層二層的抗震等級都需與首層抗震等級同為三級，但若地下室頂板作為嵌固端，地下室一層抗震等級與上部相同，地下一層以下抗震構造措施的抗震等級可逐層降低至四級;再者，根據規范JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》7.1.4條1）、3），本棟樓的底部加強部位已延伸到基礎頂，這些都將會影響到整個工程的經濟性。由于側向剛度比與0.5相差不大，因此，結構人員在計算過程中，以調整主樓地下室兩層的局部剪力墻墻厚為250～300mm，并加大地下室頂板板厚等措施，最終實現了嵌固部位為地下室頂板。

五、總結

嵌固端的正確選取是高層建筑結構計算中的一個重要假定，直接影響結構整體計算指標、結構構造措施及結構計算的經濟性、合理性，進而影響后續的設計工作，所以工程設計中，設計人員應根據各種不同情況合理選擇嵌固端部位。無論選擇哪個部位作為結構嵌固端，我們的最終目的都是為了計算結果能較真實反映結構的實際受力情況，以達到結構安全設計的最終目的。

參考文獻：

1 建筑抗震設計規范 GB5011-2010（2016年版）

2 高層建筑混凝土結構技術規程JGJ3-2010

3 朱炳寅.建筑抗震設計規范應用與分析GB50011-2010

4 魏利金.建筑結構施工圖設計與審查圖常遇問題及對策

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