高層建筑結構嵌固條件影響研究

任毅

(蘭州有色冶金設計研究院有限公司 甘肅蘭州 730000)

1 基礎理論及背景分析

1.1 嵌固結構及計算重點

首先從理論角度上來講，高層建筑的嵌固結構主要指的是以提升支座穩定性為目的構建的主要受力結構。在主體結構承受外力影響時，嵌固結構不允許出現任何變形，其中涵蓋轉角形變以及位移形變，要為整體工程提供安全保障。而在地震作用力的影響下，要求高層建筑的嵌固結構在小震中不損壞、在中等地震中可以進行修復，這是評價嵌固結構是否符合要求的核心標準。但是在罕遇地震的影響下，嵌固端的頂面柱腳或者墻腳可能會出現變形情況，這種變形并不會立即導致結構被破壞，還可以承受一定的負載力。當前的主要設計標準是全面提升嵌固結構的塑性變形能力，能夠在罕遇地震影響下，不出現嚴重的損壞以及倒塌。

而從當前絕大部分高層建筑嵌固設計的層面上來講，隨著城市地下空間利用效率的逐步增加，地下室已經成為高層建筑附帶的主要結構。而和地上結構相比，地下室在地震影響下受到的損傷較輕，但是地下室的頂板需要作為整體建筑工程的嵌固核心結構。因此在實際分析的過程中，可以將地下室結構所承受的變形和受力情況排除在外，僅針對地下室上部結構進行抗震計算分析，這樣可以進一步提升高層建筑結構設計的效率和質量，簡化原有的設計流程，在當前絕大部分高層建筑施工中都有應用。

1.2 國內外研究成果分析

由于嵌固結構對于高層建筑本身的抗震設計有著極為重要的影響，因此國內外學者針對該位置進行了全方位的分析，有學者認為上部結構和地下室結構的相互作用能夠成為嵌固結構設計的主要依據，并且給出了在水平地震作用下，地下室結構基于底部剪力法的計算方法。

隨著我國城市化發展進程的不斷加快，地上以及地下同時開發已經成為了部分工程的主要方法，這種方式追求大面積多層地下室，那么在確定嵌固位置的過程中便遇到了較多難題。首先，是否將地下室頂板或者基礎底板作為嵌固部位，都未能結合地下室四周的土壤結構水平剛度以及豎向的剛度進行分析；其次，在不同的嵌固條件影響下高層建筑自身的結構受力會出現變化；最后，在臨近塔樓地下室設置大型洞口或者下沉廣場，這導致局部區域對塔樓的約束能力逐步下降，因此也無法實現較為精準的性能評估。

針對以上這些問題，該文著重分析附帶地下室的高層建筑，綜合地下室四周的主體對建筑本身產生的實際影響進行探究，建立在地下室結構和周邊土體相互作用的層面上分析對上層結構產生的作用。并且結合地下室頂板、周邊、底板、土體結構相互作用這4 個層面進行受力性能的影響分析[1-3]。

2 基礎計算模型

高層建筑在地震以及風荷載的影響下，會發生顯著的側向變形情況，而水平剪力以及傾覆力矩又會導致地基結構出現一定的變化，其中受到周邊土壤結構的約束，地下室結構的側向剛度較大。有學者結合具體的嵌固模型進行了分析，了解不同類型建筑的實際特點，并且分析在地震影響下建筑的力學變化情況。認為建筑基底嵌固邊界的條件還過于保守，未能及時進行創新，也就導致當前絕大部分新型高層建筑的整體穩定性存在一系列的問題。因此在后續分析的過程中，需要將重點轉移到塔樓模擬、地下室結構模擬以及地基基礎相互作用模擬的層面上，同時也要考慮在不同程度地震發生期間，對建筑物產生的影響進行受力特點的定位，可以通過阻尼器和彈簧了解土體介質，并且分析和其他建筑結構之間產生的力學作用。

2.1 計算模型

2.1.1 基礎假定

考慮土體作用和地下室結構之間的影響，并且分析和上層塔樓結構之間的關系，可以設置以下假定。

首先，地下室周邊的土體等效為并聯的水平非線性彈簧與阻尼器；基礎和土體等效為并聯的豎向非線性彈簧與阻尼器。其次，要分析地下室結構和塔樓結構的剛度以及綜合質量。再次，要了解地下室底部的水平方向地震激勵情況。最后，以以上的假設方案為依托進行結構的布置。

2.1.2 結構設置以及參數

假設抗震的設防烈度為7 度，基本地震動加速度值為0.1 g，設置地震分組為第二組，整體建筑工程的場地類別設置為三類，地震的場地特征周期為0.55 s，地面的粗糙度類別為C類。那么結合附帶地下室的高層建筑結構平面圖進行分析，塔樓位于建筑平面的中央位置，地下室為正方形結構，外輪廓邊長為92.4 m。共三層地下室結構每層之間的高度為4 m，塔樓的邊長為42 m，框架柱的間距為8.4 m。其相關參數如表1所示。

表1 模擬結構的相關參數

2.1.3 分析模型的相關參數

為了進一步考察嵌固條件與地下室周邊土體以及地基之間的關系，要合理地挑選計算模型。該次研究主要采取4種計算模型進行分析。

模型1 主要的設定條件為：上部結構嵌固在地下室的頂板上，不考慮地下室產生的影響。

模型2 的主要設定條件為：上部結構和地下室本身結構都嵌固在基礎底板上，地下室的頂板位置水平位移設置為0，施加水平約束的同時分析各樓層的變形情況。

模型3 的設定條件為：上層結構和地下室都嵌固在基礎底板上，但是不考慮地下室周圍土體對地下室結構產生的約束作用。

模型4 的設定條件為：地下室周圍土體簡化成水平彈簧與阻尼，并且將樁基礎和土體簡化成豎向彈簧和阻尼，考慮基礎有限剛度和地下室周邊的土壤結構對建筑產生的約束作用。由于建筑地下室的底板存在較大的水平摩擦力，因此不考慮底板和主體之間發生水平滑移的可能性。其中，由于模型4 涉及地下室結構和周圍土體的相互作用力，而地下室結構的逐步加深會導致剪切波速有一定的變化，該文案例中的建筑地下室為三層結構，綜合三層結構不同的剪切波速，分別定為150、250、400，由此在模型4 上延伸出3 種不同的剪切波速模型[4-6]。

2.2 嵌固條件的影響分析

2.2.1 結構動力特性和地震波

為了進一步詳細分析嵌固條件對建筑結構產生的影響，需要結合以上4種模型進行針對性分析，主要的分析環境為受到地震影響下的時程響應。該文通過模擬實驗，將其前三階的自振周期進行統計并且歸結。具體情況如圖1所示。

圖1 計算模型的自振周期檢測結果

為了進一步提升結構分析的可行性，了解在地震影響下的各項變動要素差異，該次實驗又額外選擇7條水平方向的人工波作為檢測要素。綜合檢測結果來看，模型1 的自振周期最短，模型3 的自振周期有著略微增大的趨勢，但是和模型2 極為接近，模型4 前兩階的平動自振周期增長，但是扭轉自振周期的變化并不明顯。

2.2.2 水平剪力

在以上7 個不同的地震波的影響下，了解高層建筑的重力荷載以及第一層建筑結構的剪重比，統計結果具體如圖2所示。

圖2 地震作用影響下的塔樓首層剪重比

結合其數值分化情況來看，在高寬比例為2.0 時，模型1以及模型3的數值較為接近，其中模型3的剪力值最大。模型4 的首層剪力小于模型1 以及模型3 平均值的13.5%。而隨著地下室周邊土壤結構剪切波速的逐步加大，首層的剪力值也會有略微提升的情況，另外在塔樓的高寬比增大時，剪重比會顯著減小。其中模型4 的首層水平剪力和計算模型1 以及模型3 的水平剪力較為接近。

因此從實際情況上來看，要考慮周邊土壤結構之間產生的作用力，同時分析模型4 的具體動力特性變化情況。綜合其結果來看，建筑結構的水平簡歷在第1 層結構中達到最高，這和其他幾種模型有著本質上的差異，因此剪切波速對于塔樓的水平剪力影響可以被忽略。另外從高度的層面來講，若周邊土體的彈簧和阻尼約束對地下室結構造成影響后，高寬比的數值為2的情況下，在模型4中地下室整體結構的水平剪力會有所下降。剪力波速會隨著地震的變化逐步增強，地下室結構的上部結構會受到較為明顯的約束力，在這樣的條件下地下室一層的水平剪力也會降低。但是在運動反方向角度來看，地下室的下部受到了上部結構杠桿作用產生的撬力影響，地下室2 層以及以下樓層的水平剪力會逐步增加，尤其是在高寬比逐步加大的條件下，這種現象會更為明顯。

2.2.3 層間位移角

分析在7 條不同水平地震波的影響下，高寬比為2、4、6的條件下呈現位移角的實際分布情況。從結果層面來講，在高寬比數值為2 時，模型1 中的層間位移角達到了1/1892，在4種模型中屬于最小的數值；模型2的水平位移角達到了1/1853，而地下室的層間位移角則沒有變化，始終為0；模型3 的最大層間位移角達到了1/1771，比模型2略微升高，而地下一層的最大層間位移角達到了1/16548，雖然側向變形數值較小，但是已經突破零的界限。模型4的最大層間位移角達到了1/1675，顯著高于模型1 以及模型3，而地下室的最大層間位移角也達到了1/15419。這也代表著隨著土體剪切波速的逐步增大，結構之間的位移角會有降低的趨勢，而在塔樓的高寬比為4 和6 時，其水平位移角的變化規律和上述結果相似。

2.2.4 建筑的構件內力分析

嵌固位置的選擇以及受力情況還需要結合構件的綜合質量以及不同應力影響下的實際情況進行針對性探討。其中可以從以下兩個層面進行分析。

（1）核心筒墻肢剪力。在7條地震波的影響下，塔樓的核心筒墻肢水平剪力有一段的相似性，4 種模型的地上結構水平剪力上小下大，而在第2 層時數值最高，首層受到室外的主體約束作用水平剪力有所下降，但是在地下一層數值又達到了最大值，地下2 層以下的其他樓層水平剪力隨之減少。這也代表了土體剪切波速，對于結構核心筒墻體的內力會產生部分影響，而隨著剪切波速的逐步加大，墻肢剪力也會增加。

（2）框架柱剪力。在7條地震波的影響下，塔樓框架柱的實際剪力情況存在一定的波動性，首先在模型1、模型2、模型3中框架柱水平剪力在樓體結構2層以上變化的趨勢較為平穩，但是在首層結構數值為最大峰值。而地下室的范圍內模型2 以及模型3 的框架柱剪力先呈現急速下降的趨勢，然后又快速增大；模型4的框架柱數值在塔樓下部水平剪力略小于模型1以及模型3，而塔樓上部的水平剪切力大于其他模型。

結果表明受到周邊主體的約束作用影響，地下室高度范圍內，框架柱的剪力存在急劇的變化狀態，而水平剪力的峰值遠高于地上的其他結構。

（3）外墻彈簧反力。針對外墻的實際彈簧反力情況進行分析，將其結果統計如圖3所示。

圖3 地下室外墻的水平反力變化分布

綜合其中的波動情況來看，地下室頂板位置的彈簧反力最大，而隨著樓層深度的不斷增加，該數值也會逐步減小；隨著土體介質剪切波速的不斷升高，彈簧水平反力也會隨之增加；另外上部建筑結構的高度越大，那么水平反力也會相對加大。

3 結語

綜上所述，主體結構相互作用的模型能夠真實地反映高層建筑施工期間和周邊土體結構產生的剛度以及阻尼，綜合自振周期以及地震作用，能夠發現隨著土體剪切波速的逐步提升，結構的運動方向會受到更強的約束，而地下室的水平剪力會顯著減?。欢诘卣鹱饔玫挠绊懴拢叵率翼敯宓膹椈煞戳ψ畲?，樓層深度越深，則彈簧反力越小。因此，可以結合實際情況，合理地選擇高層建筑的結構嵌固位置，可以綜合樓層高度、地下室結構深度、周邊土體約束力等各項變量進行分析，通過前期的模擬試驗來掌握嵌固結構以及實際性能，這樣可以為整體高層建筑的安全發展奠定良好基礎。