基于高層建筑淺談嵌固部位設(shè)計要點

馬偉

青海建筑勘察設(shè)計研究院有限公司 青海西寧 810001

摘要：本文以高層建筑嵌固為例，首先介紹了高層建筑嵌固部位在設(shè)計中的選取，同時重點闡述了嵌固部位設(shè)計要點，以確保建筑物的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高層建筑；嵌固部位；設(shè)計要點

1、高層建筑嵌固的含義概述

1.1 計算嵌固端（計算模型的嵌固端或力學(xué)嵌固端或剛度嵌固端）

1.2 抗震嵌固端（預(yù)期塑性鉸出現(xiàn)的部分或強度嵌固端）其實這兩個嵌固端之間沒有直接聯(lián)系，而是指的一個事物的三方面，剛度、強度及延性。

高層建筑地下室結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，多數(shù)高層建筑都帶有面積較大的地下室，大底盤上有高層建筑，有層數(shù)不多的裙房，也可能只有地下室無地上建筑，一般地下室周邊的擋土，在平面內(nèi)有很大的剛度，墻外土體對地下室有很強的約束，包括前方被動土壓力及側(cè)面土摩擦力，限制了側(cè)向位移，導(dǎo)致高層建筑在地下室頂部產(chǎn)生剛度突變。在地震作用下，很有可能使高層建筑的塑性鉸由基礎(chǔ)頂部轉(zhuǎn)移到地下室頂部以上。《規(guī)范》規(guī)定高層建筑地下室結(jié)構(gòu)的剛度和承載力適當加強，可以考慮地下室頂部為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，所謂嵌固部位也就是預(yù)期塑性鉸出現(xiàn)部位。確定嵌固部位就可以通過剛度和承載力調(diào)整迫使塑性鉸在預(yù)期部位出現(xiàn)。

2、高層建筑嵌固部位的選取要點

2.1 帶地下室高層建筑嵌固在地下室頂板部位的條件，滿足以下條件可以做為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位。

①地下室層數(shù)不少于2層；

②地下室的樓層剪切剛度不小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層剪切剛度的2倍。

GoAoh1

———≥2，Ao，A1︱=Aw-0.12Ac

G1A1ho

該公式中的Go，G1——地下一層及地上一層的混凝土剪變模量；

Ao，A1——地下一層及地上一層的折算受剪面積；

Aw——沿計算方向，抗震墻全部有效面積；

Ac——地上一層或地下一層的全部柱截面面積，當柱的截面寬度不小于300mm且長寬比不小于4時，可按抗震墻考慮。

計算多塔大底盤的地下室樓層剪切剛度比時，大底盤地下室的整體剛度與所有塔樓的總體剛度應(yīng)滿足上述公式的要求，每棟塔樓范圍內(nèi)的地下室剪切剛度與相鄰上部塔樓的剪切剛度比不宜小于1.5。

當有地下室時。地下室側(cè)壁要有很好的側(cè)限，也就是與“地球”有很好的接壤。半地下室頂板處不能作為嵌固部位就是這個原因。實際工程中由于地形的影響，出現(xiàn)了錯層，錯層部位的基礎(chǔ)部分水平構(gòu)件和豎向構(gòu)件應(yīng)連成整體從而不考慮側(cè)限問題。

③地下室頂板結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計成梁板結(jié)構(gòu)體系（不能設(shè)計為無梁樓蓋）。

2.2 當高層建筑無地下室時。①當基礎(chǔ)埋置較淺時，無論采用天然地基基礎(chǔ)還是樁基礎(chǔ)，都是以基礎(chǔ)（承臺）頂面作為嵌固部位，而且在此標高處縱橫兩個方向應(yīng)設(shè)剛度較大的梁連接，此時首層層高計算高度取至基礎(chǔ)（承臺）頂面。②當基礎(chǔ)埋置較深時，通常在地面標高處設(shè)剛性地面作為結(jié)構(gòu)嵌固部位，首層的計算高度取至剛性地面。基礎(chǔ)（承臺）頂面與地面之間高差較大時，如果首層計算高度還是取至基礎(chǔ)（承臺）頂面，這樣層高過大，墻、柱截面相應(yīng)也比較大，容易形成薄弱層，這樣做既不經(jīng)濟也給結(jié)構(gòu)帶來了不利。

2.3 地下室一層頂板作為嵌固部位時。①地下室一層的抗震等級應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)相同，地下室一層以下樓層結(jié)構(gòu)的抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或四級。②地下室頂板應(yīng)避免開設(shè)大洞口（地下室頂板必須具有足夠的平面內(nèi)剛度，以有效傳遞地震基底剪力）地下室在地上結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍一般可從地上結(jié)構(gòu)（主樓、有裙房時包括裙房）周邊外延不大于20m的頂板應(yīng)采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，相關(guān)范圍以外的地下室宜采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)；其樓板厚度不小于180mm，混凝土強度等級不宜小于C30，應(yīng)采用雙層雙向配筋，且每層每個方向的配筋率不宜小于0.25%。③地下一層柱截面每側(cè)縱向鋼筋不應(yīng)小于地上一層柱對應(yīng)縱向鋼筋的1.1倍，且地下一層柱上端和節(jié)點左右梁端實配的抗震受彎承載力之和應(yīng)大于地上一層柱下端實配的抗震受彎承載力之和的1.3倍（用于框架結(jié)構(gòu)）。特別注意當框架柱嵌固在地下室頂板時，位于地下室頂板的梁柱節(jié)點應(yīng)按首層柱的下端為“弱柱”設(shè)計，即地震時首層柱底先屈服、出現(xiàn)塑性鉸，但地下室一層對應(yīng)的框架柱不應(yīng)屈服。截面抗震受彎承載力所對應(yīng)的彎矩值，應(yīng)根據(jù)軸力設(shè)計值、實配鋼筋面積和材料強度標準值等確定。④地下一層抗震墻墻肢端部邊緣構(gòu)件縱向鋼筋的截面面積，不應(yīng)少于地上一層對應(yīng)墻肢端部邊緣構(gòu)件縱向鋼筋的截面面積（用于剪力墻結(jié)構(gòu)）。

3、高層建筑嵌固部位的設(shè)計要點

3.1 地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位時，框架結(jié)構(gòu)的地下室頂框架梁柱的抗彎剛度要足夠大，保證首層柱的下端為“弱柱”設(shè)計，即地震時首層柱底屈服、出現(xiàn)塑性鉸。為避免框架柱在嵌固部位過早屈服，影響結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力，地下室頂板及其下層豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)適當加強，以符合作為嵌固部位的要求。梁端截面實配的受彎承載力應(yīng)根據(jù)實配鋼筋面積（計入受壓筋）和材料強度標準值等確定；柱端實配的受彎承載力應(yīng)根據(jù)軸力設(shè)計值、實配鋼筋面積和材料強度標準值等確定。①地下一層柱截面每側(cè)的縱向鋼筋面積除應(yīng)符合計算要求外，還應(yīng)比地上一層對應(yīng)的柱大10%以上；地下一層梁端頂面和底面的縱向鋼筋應(yīng)比計算值增大10%采用；②地下一層柱每側(cè)的縱向鋼筋面積比地上一層對應(yīng)的柱大10%以上，且地下室頂板梁柱節(jié)點左右梁端截面與下柱上端同一方向?qū)嵟涞氖軓澇休d力之和不小于地上一層對應(yīng)柱下端實配的受彎承載力的1.3倍。

3.2 地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位時，剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)控制在嵌固部位以上一定高度范圍內(nèi)發(fā)生屈服，出現(xiàn)塑性鉸。這個高度范圍作為底部加強部位，應(yīng)加強抗震構(gòu)造措施，提高其彈塑性變形能力，加大結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力。地下室與上部對應(yīng)的剪力墻墻肢端部邊緣構(gòu)件的縱向鋼筋截面面積不應(yīng)小于地上一層對應(yīng)的剪力墻墻肢邊緣構(gòu)件的縱向鋼筋截面面積。當?shù)叵乱粚觽?cè)向剛度與地上一層側(cè)向剛度比值滿足地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的要求，但由于首層建筑功能的要求，地下室頂板開有大洞口時，地下室頂板不能作為結(jié)構(gòu)嵌固部位，此時應(yīng)下移嵌固部位位置。

3.3 當高層建筑僅設(shè)單層地下室時，結(jié)構(gòu)設(shè)計者通常選擇地下室底板作為結(jié)構(gòu)嵌固部位。這是因為高層建筑地下室底板應(yīng)進行防水設(shè)計，結(jié)構(gòu)厚度不小于250mm，這樣可以充分利用地下室底板和基礎(chǔ)的剛度。不過，此時仍然建議在設(shè)計時，將頂板處按嵌固部位的要求進行處理，并采取相應(yīng)的加強措施。因為結(jié)構(gòu)在地震作用下，地下室很少發(fā)生嚴重破壞，基本都是上部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。選擇地下室底板作為結(jié)構(gòu)嵌固部位，由于降低了對地下室頂板的要求，首層樓面設(shè)置大孔洞，也不影響結(jié)構(gòu)計算的準確性，可以滿足首層建筑功能的靈活布置，反而可能取得較好的使用空間。此時，由于結(jié)構(gòu)計算嵌固部位位于地下室底板，剪力墻底部加強部位宜向下延伸到計算嵌固部位，底部加強部位的高度仍從地下室頂板算起。以地下室底板作為嵌固部位不會造成地下室結(jié)構(gòu)抗震等級的提高，不會帶來經(jīng)濟效益的損失。

3.4 高層建筑沒有設(shè)置地下室時，通常情況下嵌固部位就是結(jié)構(gòu)的底部。高層建筑不設(shè)地下室通常是基礎(chǔ)持力層非常好的情況，或者是層數(shù)不多的小高層，但從抗震設(shè)計考慮，高層建筑宜設(shè)地下室。當高層建筑不設(shè)地下室時，無論采用何種類型的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)嵌固部位就是基礎(chǔ)面，即結(jié)構(gòu)的底部。為保證嵌固部位的剛度，應(yīng)該在基礎(chǔ)面標高處設(shè)置一定剛度的基礎(chǔ)梁加以連接。這種情況下，首層層高應(yīng)從基礎(chǔ)面算起。抗震設(shè)計時，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)，底部嵌固樓層層間位移角結(jié)果較小，要求樓層與相鄰上層的側(cè)向剛度比值不宜小于1.5。如果基礎(chǔ)面與首層頂標高的距離較大，有些墻體穩(wěn)定驗算不滿足要求，需要剪力墻加厚或加長。這些或多或少的影響首層建筑功能。高層建筑沒有設(shè)置地下室時，結(jié)構(gòu)設(shè)計者通常不增加首層剪力墻厚度及框架柱斷面，而是在地面標高處做結(jié)構(gòu)處理（例如：增設(shè)梁板結(jié)構(gòu)層），仍選擇基礎(chǔ)底板作為結(jié)構(gòu)嵌固部位進行設(shè)計。這種處理，不但能保證嵌固部位形成，而且使實際設(shè)計與結(jié)構(gòu)計算簡圖很好的符合。

4、結(jié)束語

由于各個單體工程建筑面積、建筑風(fēng)格和建筑功能等的差異，結(jié)構(gòu)要求是不同的，高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固部位的選取不是固定的。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，我們期望的是結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的準確性，結(jié)構(gòu)計算分析的力學(xué)模型能較好的反映結(jié)構(gòu)的實際情況。因此，在確定嵌固部位的位置后，結(jié)構(gòu)設(shè)計中采取哪些措施，如何保證其成為真正的嵌固部位，是設(shè)計者應(yīng)該不斷探索的。

參考文獻：

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【3】張維斌《對確定結(jié)構(gòu)底部嵌固部位的一點看法》