高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端設(shè)計(jì)之淺析

藍(lán)善榮

摘要：高層建筑的結(jié)構(gòu)嵌固端通常是選擇在地面標(biāo)高處，但地面標(biāo)高處要真正成為結(jié)構(gòu)嵌固端是有條件的，而且在輸入首層計(jì)算高度時(shí)還有許多講究。高層建筑在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算之前必須首先確定結(jié)構(gòu)嵌固端的所在位置，而嵌固端的選取卻面臨著各種不同情況，如不設(shè)地下室但基礎(chǔ)埋深較大，沒有地下室但其層數(shù)或多或少，且基礎(chǔ)形式不同等。高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)中某些構(gòu)件內(nèi)力分配的準(zhǔn)確性，而且還影響結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)移的真實(shí)性，以及結(jié)構(gòu)局部的經(jīng)濟(jì)性，因此本文就著重論述了高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端設(shè)計(jì)的一些要點(diǎn)，旨在提高建筑質(zhì)量，促進(jìn)建筑業(yè)健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)；嵌固端設(shè)計(jì)；地下室；地基

前言

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，無論選擇哪個(gè)部位作為結(jié)構(gòu)嵌固端都可以通過結(jié)構(gòu)計(jì)算程序獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，但我們期望的是計(jì)算結(jié)果較真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。為了達(dá)到這一目的，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)輸入正確的參數(shù)和數(shù)據(jù)固然相當(dāng)重要，但結(jié)構(gòu)嵌固端的確定對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的影響也相當(dāng)大，因此重視結(jié)構(gòu)嵌固端的確定并非微不足道，且在嵌固端確定后設(shè)計(jì)中如何保證其成為真正的嵌固端，還有許多細(xì)節(jié)有待研究和完善，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員不能忽視的重要環(huán)節(jié)。因此，我們應(yīng)做好高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端設(shè)計(jì)，以減少誤差，保證工程質(zhì)量安全。

1、高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端設(shè)計(jì)的必要性

高層建筑一般都帶有地下室，嵌固端的位置決定了整體建模分析時(shí)需要與上部結(jié)構(gòu)整體建模的最少的地下室的層數(shù)，帶地下室高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般有分離式模型和整體式模型兩種模型可供選擇。當(dāng)采用分離式模型時(shí)，可以以確定的嵌固端位置將結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)獨(dú)立的模型，分別進(jìn)行計(jì)算分析和設(shè)計(jì)，這種模型在帶大底盤地下室的多塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用；而整體式模型則是無論嵌固端位置位于何處均將所有地下室連同上部結(jié)構(gòu)一起建模分析，因?yàn)閷?shí)際工程的上下部結(jié)構(gòu)的變形是協(xié)調(diào)的，而且整體式模型可以考慮地下室外圍回填土對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際約束作用，所以一般來說采用整體式建模能夠獲得更加真實(shí)的結(jié)構(gòu)位移場和內(nèi)力，工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中帶地下室高層建筑結(jié)構(gòu)建模分析時(shí)也大多都采用整體式模型。我國高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐中最常采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件是中國建筑科學(xué)研究院PKPM系列軟件的SATWE空間分析軟件，該軟件提供了嵌固端所在層號(hào)的參數(shù)用于考慮嵌固端的作用。查看SATWE軟件說明書可以知道，嵌固端的位置需要人為判斷，程序只按照指定的嵌固端位置調(diào)整相關(guān)位置處的內(nèi)力或者確定相關(guān)的構(gòu)造措施。從中可以看出確定了嵌固端的位置，其實(shí)主要是確定了該位置處的一系列構(gòu)造措施，例如剪力墻底部加強(qiáng)部位的高度；嵌固位置處的強(qiáng)梁弱柱及嵌固層樓面的各種構(gòu)造要求等等。也就是說工程師要自己根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和已有的工程經(jīng)驗(yàn)來判斷嵌固端的位置，如果已經(jīng)選定了嵌固端，該位置處就應(yīng)該按照規(guī)范要求采取各種構(gòu)造措施，創(chuàng)造條件使得該位置在地震作用下能真正起到對(duì)上部結(jié)構(gòu)的嵌固作用，包括破壞時(shí)嵌固位置處塑性鉸出現(xiàn)在柱根部及可靠地傳遞水平地震作用等。

2、高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端設(shè)計(jì)設(shè)置問題

2.1 高層建筑地基結(jié)構(gòu)埋深設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)的荷載總是向下作用于地面的，而建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關(guān)系，所以，在建筑設(shè)計(jì)的方案階段，就必須對(duì)主要的承重柱和承重墻的數(shù)量和分布作出總體設(shè)想。對(duì)于低層、多層和高層建筑，豎向和水平向結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)基本原理都是相同的，但是，隨著高度的不斷增加。豎向結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計(jì)的控制因素，其原因有兩個(gè)：較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或者井筒；側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。與豎向荷載相比，側(cè)向荷載對(duì)建筑物的效應(yīng)不是線性增加的，而隨建筑高度的增高迅速增大，例如，在所有條件相同時(shí)，在風(fēng)荷載作用下，建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比，而其頂部的側(cè)向位移與高度的四次方成正比，地震的作用效應(yīng)更加明顯。在高層建筑中，問題不僅僅是抗剪，而更重要的是整體抗彎和抵抗變形，可見，高層建筑的結(jié)構(gòu)受力性能與低層建筑有很大的差異。

2.2 單層地下室結(jié)構(gòu)嵌固端設(shè)計(jì)。高層建筑采用天然地基筏板基礎(chǔ)或樁一筏基礎(chǔ)時(shí)，通常選擇基礎(chǔ)底板而非首層作為結(jié)構(gòu)嵌固端，這有利于充分利用其基礎(chǔ)的“無限”剛度，為首層樓面的靈活結(jié)構(gòu)選型創(chuàng)造條件，即使是首層樓面留有大孔洞，或選用無梁樓蓋結(jié)構(gòu)，都不影響結(jié)構(gòu)計(jì)算的準(zhǔn)確性。此外，規(guī)范規(guī)定地下室負(fù)一層的抗震等級(jí)與上部結(jié)構(gòu)必須一致，以基礎(chǔ)底板作為嵌固端不會(huì)造成地下室結(jié)構(gòu)造價(jià)的提高，反而可能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。即使單層地下室底板是以樁為基礎(chǔ)的普通梁板結(jié)構(gòu)，一般情況下仍然取底板處為結(jié)構(gòu)嵌固端，唯一例外的是地下室作為抗爆級(jí)別較高的防空地下室時(shí)，其頂板通常具有作為結(jié)構(gòu)嵌固端的剛度，因此可取其作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。

2.3 高層建筑結(jié)構(gòu)地下室頂板投影面積比例設(shè)計(jì)。當(dāng)首層作為嵌固端的結(jié)構(gòu)時(shí)，高層塔樓在地下室頂板上投影面積比例大小對(duì)其有很大的影響。當(dāng)該比例接近1時(shí)，若首層樓面符合作為嵌固端的其它條件，則該首層作為結(jié)構(gòu)嵌固端就毫無疑問了；但當(dāng)上述投影面積比例<1時(shí)，說明地下室側(cè)限遠(yuǎn)離塔樓，塔樓發(fā)生的側(cè)向位移將波及首層樓面并使其發(fā)生變形，即使變形量很小，但嚴(yán)格說來首層作為嵌固端的剛度必然小于前一種情況，且變形又增大了上部結(jié)構(gòu)側(cè)移的計(jì)算值，同時(shí)首層骨架構(gòu)件也會(huì)由于自身的變形而產(chǎn)生附加內(nèi)力。

3、高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端設(shè)計(jì)條件

3.1 不設(shè)地下室時(shí)的條件。當(dāng)建筑基礎(chǔ)持力層較淺或者為小高層時(shí)，通常會(huì)不設(shè)地下室，但從抗震角度考慮是不宜提倡的。不管是采用天然地基基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)，都是以基礎(chǔ)（承臺(tái)）面作為結(jié)構(gòu)嵌固端，且必須在該標(biāo)高處的縱橫方向設(shè)置剛度較大的基礎(chǔ)梁加以連結(jié)，故首層層高應(yīng)從基礎(chǔ)面算起。若基礎(chǔ)（承臺(tái)）面標(biāo)高與首層標(biāo)高有一定距離而不設(shè)基礎(chǔ)梁連結(jié)或其剛度過小，則地面標(biāo)高處應(yīng)設(shè)有剛性地面來作為結(jié)構(gòu)嵌固端，首層層高可從地面層算起。若不設(shè)剛性地面，則上部結(jié)構(gòu)無從形成嵌固端，也即結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖不成立，設(shè)計(jì)上顯然是不允許的。

3.2 設(shè)地下室時(shí)的條件。高層建筑把嵌固端放在地下室頂板位置時(shí)，地下室頂板標(biāo)高與室外地坪的高差不能太大，極端的情況如半地下室則首層樓面一般不能成為結(jié)構(gòu)嵌固端，除非其高差僅為1—3級(jí)臺(tái)階高度時(shí)才可能考慮；地下室頂板結(jié)構(gòu)應(yīng)為梁板體系，且該層樓面不得留有大孔洞，樓面框架梁的抗彎剛度要足夠大，樓板也要有相當(dāng)厚度；地下室要有良好的側(cè)限，地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的2倍；地下一層的抗震等級(jí)應(yīng)按上部結(jié)構(gòu)采用，地下一層以下結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)可根據(jù)具體情況采用三級(jí)或四級(jí)，地下室柱截面每側(cè)的縱向鋼筋面積除應(yīng)符合計(jì)算要求外，不應(yīng)少于地上一層對(duì)應(yīng)柱每側(cè)縱向鋼筋面積的1 1倍；地下室中超出上部主樓范圍且無上部結(jié)構(gòu)的部分，其抗震等級(jí)可根據(jù)具體情況采用三級(jí)或四級(jí)，9度抗震設(shè)計(jì)時(shí)，地下室結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)不應(yīng)低于二級(jí)。

4、結(jié)束語

總之，《抗震規(guī)范》規(guī)定當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí)，地下一層的抗震等級(jí)應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)相同；當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的二倍。因此，應(yīng)綜合考慮嚴(yán)格設(shè)計(jì)嵌固端，以保障高層建筑質(zhì)量。

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