關于嵌固端與底部加強區的討論

楊潤濤 康建群

(1.太原市建筑設計研究院，山西 太原 030002； 2.太原市普可佳工程設計有限公司，山西 太原 030006)

關于嵌固端與底部加強區的討論

楊潤濤1康建群2

(1.太原市建筑設計研究院，山西 太原 030002； 2.太原市普可佳工程設計有限公司，山西 太原 030006)

對嵌固端、底部加強區的定義與要求作了簡要說明，采用PKPM軟件對一實際工程進行了計算分析，通過計算結果對比不同樓層能否作為嵌固端，并提出設計建議，使工程設計趨于合理。

嵌固端，加強區，PKPM，側向剛度比

1 嵌固端的定義

現階段多層，特別是高層混凝土建筑，在進行概念設計、結構計算時，必須明確嵌固端的位置。其定義為除能承受軸力、彎矩、剪力之外，X，Y兩個方向的水平位移、豎向位移及位移角均為零的部位。在高層設計中確定嵌固端就是通過調整剛度與承載力，使塑性鉸能在預期的部位出現，并承擔該處較大的彎矩、剪力及相應的軸力。

2 嵌固端的實現要求

框架剪力墻、板柱剪力墻、剪力墻、框架核心筒、筒中筒結構，對于嵌固端的樓層，嵌固層(即嵌固端以下這一層)與相鄰上層側向剛度之比均有相應要求。對于一般的高層建筑為滿足基礎埋置深度不小于建筑物高度的1/18～1/20及樓層使用功能，均會設置地下室，而高層建筑混凝土結構技術規程中(以下簡稱高規)規定，普通地下室頂板厚度不宜小于160 mm，這就意味著按構造要求地下室的頂板已經有了剛度上的提高。因此通常考慮將地下室頂板作為嵌固端能達到一定的經濟效益。

對于地下室頂板作為嵌固端，規范提出了明確的要求，主要有頂板應避免開設大洞口，樓板厚度不宜小于180 mm；地下1層的側向剛度宜大于其上一層的2倍，以及相應的配筋構造要求。如高層地下1層作為設備間時，層高通常較小，而首層設大廳、商業及其他功能樓層時層高會高于標準層，當能滿足上述要求時，地下室其他樓板即可采用普通樓板設計(人防頂板除外)，地下1層以下抗震構造措施可逐層降低一級，相應的墻、柱配筋可減小，而當地下室頂板不能作為上部結構的嵌固端時，計算嵌固端下移，而相應的構造要求同時下移。由此可見，地下室頂板作為上部結構的嵌固部位是最經濟合理的選擇。

有的樓層因為地下1層與首層層高、平面布置相差不大，無法滿足地下室頂板作為嵌固部位的要求時，嵌固部位應下移，保證該層整體性強、樓層無大洞口、樓層的側向剛度與首層比不小于2，因為側向剛度比大于2均為嵌固端下一層與首層的比較，而在高規中規定嵌固端下一層與其上一層側向剛度比大于1.5，是指嵌固端上下層之間的比較，設計中應區分開來。當該層樓板作為嵌固端時按要求樓板的厚度不宜小于180 mm，同時應考慮地下室實際存在的嵌固作用，其樓板的厚度不宜小于160 mm，這就產生了兩層厚樓板的出現，造成了一定程度的浪費，在設計中應盡量避免。

另外需要注意的是，抗規中規定：結構地上1層的側向剛度，不宜大于相關范圍地下1層側向剛度的0.5倍；地下室周邊宜有與其頂板相連的抗震墻。其相關范圍主要是指主樓外延不大于20 m的范圍內。在計算側向剛度比值時，按規范要求將主樓周邊地庫計入模型來進行計算，可對地下室側向剛度產生比較大的影響。

3 底部加強區的設置

高層帶剪力墻結構中嵌固端的確定直接影響剪力墻的底部加強部位高度的確定。因框支剪力墻屬復雜高層設計，其設計另有規定及要求，本文不予討論。

剪力墻受地震作用破壞時，前文提到了通過確定嵌固端使塑性鉸在預期部位出現，而為了使底部出現塑性鉸后具有比較大的延性，需要對該范圍予以加強，這個部位就成為了底部加強區。即嵌固端為人為定義，而只有通過加強區的設置，才能實現這種“定義”，使結構在出現塑性鉸時能保證承載力、穩定性的要求。

底部加強區的高度應由地下室頂板算起，取墻體總高度的1/10和底部兩層二者的較大值，當結構計算嵌固端位于地下1層底板或以下時，底部加強部位宜向下延伸至計算嵌固端，即若嵌固部位為地下1層底板時，地下1層亦設置為底部加強區。加強區具體計算措施為截面組合的剪力設計值，按下式調整：

V=ηvwVW。

其中，ηvw一級時取1.6，二級可取1.4，三級可取1.2。

計算完成后在施工圖設計中應該在底部加強部位及相鄰的上下一層設置約束邊緣構件(當墻肢底截面軸壓比很小時可不設)。

4 實際工程中的應用

在建筑方案確定過程中，結構專業的參與對最終建筑的可實施性、經濟性起很大的作用。在確定建筑物層高，地下室設置時，嵌固端與底部加強區的計算能具體的為建筑設計提出建議。以下是具體的工程案例。

如圖1所示為一工程的剖面，該工程為地下5層、地上26層的住宅，周圍均為5層地下車庫。主樓平面為規則方形，立面無突變。

采用PKPM建模來進行計算，完成后在SATWE計算結果中選取出各層剛心、偏心率、相鄰層側移剛度比等等計算信息這一項，為了方便比較，直接截取Ratx，Raty該項來進行分析(Ratx，Raty是指X，Y方向本層塔側移剛度與下一層相應塔側移剛度的比值)。

地下5層：

Ratx=1.000 0，Raty=1.000 0。

地下4層：

Ratx=0.869 1，Raty=0.891 5。

地下3層：

Ratx=0.821 5，Raty=0.897 2。

地下2層：

Ratx=1.167 6，Raty=1.169 7。

地下1層：

Ratx=0.967 7，Raty=0.956 2。

首層：

Ratx=0.813 1，Raty=0.976 9。

根據計算結果，地下5層～地下1層與首層的剛度比分別為X向：1.526，1.326，1.089，1.271，1.230；Y向：1.144，1.020，0.915，1.070，1.024，可見地下5層均不滿足與首層側向剛度比大于2的要求，不能作為嵌固端。

而考慮周圍地下室剛度貢獻，將主樓周圍兩跨并入模型進行計算，得出結果如下：

地下5層：

Ratx=1.000 0，Raty=1.000 0。

地下4層：

Ratx=0.872 8，Raty=0.893 7。

地下3層：

Ratx=0.820 7，Raty=0.903 5。

地下2層：

Ratx=1.167 6，Raty=1.120 1。

地下1層：

Ratx=0.967 7，Raty=0.956 9。

首層：

Ratx=0.758 9，Raty=0.910 6。

其地下5層～地下1層與首層的剛度比分別為X向：1.628，1.421，1.166，1.362，1.318，Y向：1.268，1.133，1.024，1.147，1.098。

由此可見當計入主樓周圍地下室進行計算時地下室樓層與首層的側向剛度比得到提高，但仍無法滿足作為嵌固端的要求，其主要原因是由于地下室與地上標準層的建筑平面布置區別不是很大，而周圍地庫作為車庫使用，層高較大，地下1層車庫層高更是達到6 m，而地庫外墻距主樓較遠，不能計入主樓相關范圍計算，最終導致地下室各層與首層側向剛度的比值均不能滿足2倍的要求。

結構專業在得出計算結果后與甲方協商，由于周邊地庫面積較大，層高要考慮到整個場地市政設計與其他主樓，無法改變，而主樓地下1層層高為3 700，亦不能通過加設設備層來提高剛度。后與建筑專業協商，地下4層與地下5層均設置人防，主樓及周邊地庫地下4層頂板厚取250 mm，并在周圍地庫設置設備間、物資庫，增加混凝土臨空墻、人防門框墻體，最終計算得地下4層與首層的側向剛度比接近2倍。該工程結構地上層高為78 m，地下室頂板不能作為嵌固部位，則計算層高大于80 m，抗震等級按一級計算，通過與審圖單位的反復協商，最終確定地下室4層頂板作為嵌固端，地下1層～地下3層按一級剪力墻要求配置約束邊緣構件的豎向鋼筋、箍筋，且豎向鋼筋通至地下4層，地下5層剪力墻按構造邊緣構件設計。通過對最終設計結果的總結可以看出，當地下室頂板不能作為嵌固端，而地下2層，3層同樣不能滿足嵌固端要求時，整個樓層的抗震等級提高，地下室剪力墻邊緣構件的配筋同樣造成較大的浪費。并且在結構計算中不考慮土對地下室外墻的約束作用，雖然本工程主樓周圍均為地下室，但地庫地下室頂板以上回填土及地下室頂板處對上部結構的嵌固作用是客觀存在的，因此將嵌固端放在地下1層以下并不符合概念設計的要求。

5 結語

嵌固端與底部加強區屬于結構概念，但其對于整個建筑的經濟合理性至關重要。建筑專業人員應明確其概念及重要性，同時結構專業人員也應盡可能早地參與到方案設計的過程中來。通過對比及設計要求提供建議，使建筑采用較為經濟合理的方案。本次分析僅對高層剪力墻住宅進行計算研究，未考慮其他結構類型的設計計算。建議以后分析研究時，將其他類型的結構計算同時考慮進去。

[1] GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[2] JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[3] 朱丙寅.建筑結構設計問答及分析[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[4] 朱丙寅.建筑抗震設計規范應用與分析[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[5] 鄭夢龍.談建筑設計在建筑抗震設計中的重要作用[J].山西建筑，2014，40(11)：44-46.

Discussiononthefixedendandbottomstrengthenarea

YANGRun-tao1KANGJian-qun2

(1.TaiyuanArchitecturalandDesignInstitute,Taiyuan030002,China; 2.TaiyuanPukejiaEngineeringDesignLimitedCompany,Taiyuan030006,China)

This paper briefly described the definition and requirements of fixed end, bottom strengthen area, made calculation and analysis on a actual project using PKPM software, through the calculation results compared different floors could be used as a fixed end or not, and put forward the design proposal, made engineering design more reasonable.

fixed end, strengthen area, PKPM, lateral stiffness ratio

1009-6825(2014)33-0034-02

2014-09-10

楊潤濤(1988- )，男，助理工程師； 康建群(1964- )，女，工程師

TU318

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