閉合剛體在山地建筑地下室結構設計中的應用研究

林 杰

(福州市建筑設計院有限責任公司 福建福州 350011)

1 概況

福建境內峰嶺聳峙，丘陵連綿，河谷、盆地穿插其間，山地、丘陵占全省總面積80%以上。近年來，隨著城市規模的擴張，城市建設開始向山地、丘陵發展，依山而建的建筑逐年增多。常規山坡地建筑設計，極易形成多塔樓連體結構如圖1所示，上部有多座主樓下部通過大底盤聯合，而一向為開口的半地下室。從結構設計角度，為避免形成多塔和連體等復雜結構體系，通常沿主樓設抗震縫來解決問題。而有些工程因其特殊性，設抗震縫并不合理，或不能完全解決問題，如下文將要述及的NY項目。

圖1 某坡地建筑場地剖面分析圖

NY項目位于福建省福清市，場地原始地貌單元跨越殘丘坡地及沖洪積階地，西南高，東北低，場地高程分析圖如圖2所示。NY項目用地性質為工業用地，規劃用地面積為74 669 m2，擬建廠區地上部分共分為A、B、C、D四個區，其中A區含4幢多層廠房，B區含26幢多層廠房，D區含3幢多層廠房。C區含4幢多層生產配套服務用房和3幢高層生產配套服務用房，B-6#～B-23#、C-6#～C-8#、D-1#、D-2#樓建筑下設一層聯體地下室，總建筑面積約16.12萬m2，地下建筑面積約3.4萬m2，NY項目總平與地下室邊界示意圖和A-A剖面如圖3～圖4所示。

圖2 NY項目場地高程分析圖

受場地原因和建筑使用功能限制， NY項目地下室僅三面圍土，北向開口率較大，且在地下室西南角設有兩個常六級人防單元。地下室范圍內的主樓較密集，加之人防區的設置要求等，均決定了該半地下室上方主樓無法按常規設縫處理。 而不設縫，該半地下室和上部主樓將形成多塔結構，主樓及連接體受力復雜，對抗震不利，造價高。因此，該項目地下室頂板按作為上部結構的嵌固部位設計較為合理。

如何將半地下室的頂板設計成上部多主樓的共同嵌固部位？ 在NY項目的結構設計中，立足建筑使用功能，在地下室創造性開口側采用閉合剛體結構替代支擋邊坡，通過計算分析和構造措施，保證所設計閉合剛體能滿足地下室頂板做為上部嵌固部位的受力要求，實現兼顧建筑使用和結構受力的雙贏。下方將從理論出發探討閉合剛體的設計思路。

能約束結構所有位移和轉角(Dx、Dy、Dz、θx、 θy、 θz )的部位，稱為嵌固部位。嵌固端是指對該點的各向位移進行完全約束，使之不能發生任何移動。真實的結構不具備這樣的點，只有相對不動點，所以嵌固也是相對的。

2 理論支持

地下室頂板作為上部結構的嵌固部位的規范要求(參見《抗規》[1]第6.1.14條、《高規》[2]第5.3.7條和《高層建筑混凝土結構技術規程應用與分析》[3]第5.3.7條)：

(1)完整的地下室(全埋地下室)——提供側向約束；

(2)地下室頂板的整體剛度，必須具有足夠的平面內和平面外剛度，以有效傳遞地震基底剪力；

(3)結構地上一層的側向剛度，不宜大于相關范圍地下一層側向剛度的0.5倍。

另外，《抗規》在第6.1.14條條文說明中提出，在山(坡)地建筑中，出現地下室各邊填埋深度差異較大時，宜單獨設置支擋結構。但如何設置支擋結構，支擋結構要滿足何種條件？規范未明確。

由此，可以得出這樣一個初步設想：NY項目如果在開口地下室一側設置支擋邊坡結構，是可以保證地下室頂板作為嵌固層的有效性，當然支擋邊坡結構應保證穩定性，在罕遇地震作用下，不至于破壞的性能要求。一般認為，嵌固層標高處的土體水平尺寸a應大于1.0倍從嵌固層算起的地下室高度H(a>1.0H)，地下室底板標高處的土體水平尺寸b應大于1.5倍從嵌固層算起的地下室高度(b>1.5H)，如圖5所示。

但是，如果設置支擋邊坡，卻無法滿足建筑功能使用要求，在與建筑專業充分溝通后，該項目采用閉合剛體替代支擋邊坡，閉合剛體可看成掏空的支擋邊坡結構，如圖6所示。閉合剛體須有足夠剛度和承載力，滿足頂板作為嵌固端的側向約束要求。代替擋土墻的支擋結構功能。閉合剛體下埋地下室底板面以下1900，以滿足土側被動土壓力需求，閉合剛體在地下室底板位置設隔板，以提高剛體剛度及傳遞水平力，如圖7所示。

圖6 A-A剖面(采用閉合剛體替代支擋邊坡的近似全埋地下室)

圖7 閉合剛體受力詳圖

3 技術處理

綜上，為滿足人防地下室及地下室頂板作為上部主樓嵌固端要求，NY項目地下室采取技術措施如下：

(1)在地下室北向外墻側設通長鋼筋混凝土墻，僅在坡道處及北向主樓B-25#～B-29#(與地下室設縫脫開)與地下室間的通道處開口，開口率滿足《閩人防辦〔2018〕56號》文件的相關要求(普通地下室各出入口的斷面面積不宜大于該垂直面的普通地下室橫截面積的1/7，同時普通地下室任何一面外墻面開孔面積總和，不宜大于該墻面面積的50%)。

(2)在地下室北向三跨范圍內(長度18 400 mm)設置閉合剛體，除了在北向外墻側設通長鋼筋混凝土墻外，還結合地下室建筑平面布置，在北向第三跨以及北向三跨間的縱向設置鋼筋混凝土墻，形成閉合剛體(圖8)，以抵抗對應位置主樓傳來地震力和風荷載作用。

圖8 地下室平面(閉合剛體布置圖)

(3)閉合剛體在地下室底板位置設隔板，以提高閉合剛體剛度及直接傳遞水平力。

4 計算分析

為保證上述技術措施的有效性，需要驗算閉合剛體是否有足夠剛度和承載力滿足其受力要求，保障地下室頂板作為嵌固端的有效性。具體如下：

(1)計算模型選取

選取地下室中受力最大的區塊(圖9)進行計算，區塊中含C-6#、B-7#、B-10#、B-22#樓，上述四樓所受的Y向地震力及風荷載作用，將由區塊范圍內的閉合剛體(圖10)所承受。

圖9 C-6#、B-7#、B-10#、B-22#樓區塊

圖10 C-6#、B-7#、B-10#、B-22#樓區塊對應閉合剛體

(2)荷載計算

根據上部主樓計算提供結果(采用YJK系列軟件進行計算)，結果如表1所示。

表1 C-6#、B-7#、B-10#、B-22#地震剪力和風剪力計算結果

閉合剛體所需承受附加Y向地震剪力：3017.6+3×1416.7=7267.7 kN；

閉合剛體所震承受附加Y向風剪力：3779.3+3×767.4=6081.5 kN。

閉合剛體所需承受附加Y向水平剪力，按考慮地震與風的組合進行計算(參考《高規》第5.6.3條)：(1.3×7267.7+1.4×6081.5×0.2)/1.3=8577.6 kN，仍以地震剪力方式考慮。

疊加閉合剛體本身所承受Y向地震力和風剪力后；

閉合剛體實際所需承受Y向地震力：8577.6+1281.5=9859.1 kN;

閉合剛體實際所需承受Y向風剪力：6081.5+208.3=6289.8 kN。

(3)多遇地震(小震)工況計算

閉合剛體電算模型實際輸入值：

Y向地震力：10 007.4 kN(全樓統一地震作用放大系數按9倍考慮)

Y向風剪力：7356.7 kN(在前處理及計算中對風荷載進行修改)；

其余荷載根據地下室設計條件正常輸入，最終設計采用包絡配筋，即考慮正常地下室頂板荷載下配筋，與作為支擋結構的最大配筋包絡。主要計算結果如圖11和表2所示。支擋結構的變形可以滿足作為嵌固層的要求。

圖11 多遇地震(小震)工況計算結果

表2 閉合剛體多遇地震(小震)工況指標匯總

(4)中震工況補充驗算

為保障閉合剛體在罕遇地震作用下不至于破壞的性能要求，對閉合剛體做中震工況驗算，對閉合剛體中的Y向剪力墻和框架柱，要求按中震彈性計算配筋。中震作用下的Y向地震力：28 771.2 kN，其余主要計算結果如圖12和表3所示。支擋結構在中震情況下的變形，可以滿足作為嵌固層的要求。

圖12 中震工況計算結果

表3 閉合剛體中震工況指標匯總

綜合上述，支擋結構閉合剛體的剛度可以滿足作為嵌固層的要求。支擋結構閉合剛體的最終設計采用包絡配筋，即考慮正常地下室頂板荷載下，配筋與作為支擋結構的最大配筋包絡。支擋結構閉合剛體墻柱配筋考慮多遇地震(小震)工況，與中震彈性結果包絡值配置。此外，閉合剛體設計時還在地下室底板位置設隔板，以提高剛體剛度及直接傳遞水平力。按包絡設計后的支擋結構閉合剛體，能保證地下室頂板作為嵌固層的有效性，也滿足即使遭遇罕遇地震作用也不至于破壞的性能要求。

5 結語

文中對三側圍土、一向開口的半地下室頂板，做為上部有多座主樓的嵌固部位的技術要求，進行了探討。NY項目中采用在地下室開口側設置閉合剛體的形式，替代支擋邊坡結構。為驗證閉合剛體的有效性，文中選取合適的計算模型，根據其實際受力，采用YJK軟件進行計算分析。通過采取相應構造措施后，所設計的閉合剛體具有足夠的剛度和承載力，能滿足頂板作為嵌固部位所需提供的側向約束要求。

隨著山地建筑的大量涌現，開口地下室的問題成為近年來設計的熱點問題。對開口地下室設置閉合剛體，即可滿足全埋地下室要求的處理方式，實現了兼顧建筑使用和結構受力的雙贏，具有良好的綜合經濟效益，值得其它類似工程借鑒應用。