結構嵌固端的確定及相關設計要點

林功丁

(福州市建筑設計院 福建福州 350001)

引 言

結構嵌固端是結構分析的主要計算條件之一，也是落實抗震措施的重要部位。對于沒有地下室的建筑，結構嵌固端的位置非常明確，即基礎構件的頂部。對于有地下室的建筑，由于計算軟件可以進行帶地下室的整體分析，在工程設計中如何正確選擇結構嵌固端位置，并在該部位合理采取抗震措施顯得尤為重要。本文通過對有關規范、規程條文的解讀，剖析結構嵌固端的設計概念，提出帶地下室結構整體分析時的相關設計要點，以期達到正確把握結構嵌固端設計的目的。

1 結構嵌固端定義及相關術語

力學概念上的嵌固端是指該部位無水平與轉動位移，顯然基礎構件的頂部屬于此類嵌固端，一般稱為力學嵌固端。帶地下室的建筑，當嵌固端不是取在基礎構件的頂部而取在地下室頂板或地下室樓板處時，該部位僅限定結構的水平位移，而對其他自由度并不施加任何限制條件，此類嵌固端一般稱為計算嵌固端。

對于計算嵌固端，規范、規程均給出了具體的設計控制要求及與此有關的抗震措施。相關的條文內容有，現行的《建筑抗震設計規范》[1](以下簡稱《抗規》)6.1.3條、6.1.10條、6.1.14條，現行的《高層建筑混凝土結構設計規程》[2](以下簡稱《高規》)3.5.2條、3.6.3條、3.9.5條、5.3.7條、7.1.4條、12.2.1 條，現行的《混凝土結構設計規范》[3]11.1.4 條、11.1.5條，現行的《建筑地基基礎設計規范》[4](以下簡稱《地規》)8.4.25條等。

條文中涉及到嵌固端的相關術語主要有二個，即嵌固部位與嵌固層。嵌固部位即位于嵌固端下部的部位，嵌固層是嵌固端所在的層。例如嵌固端設在地下室頂板處，地上一層即為嵌固層，如(圖1)所示。計算嵌固端所在層，規范條文中一般也稱為底層。

圖1 嵌固端相關部位示意圖(本圖摘自文獻[6])

值得注意的是，所謂計算嵌固端是基于簡化結構計算分析模型并且保證抗震措施到位而提出的。滿足一定的設計控制條件的計算嵌固端，即可以作為上部結構力學嵌固端進行上部結構的單獨計算，又可以作為設計意義上的嵌固端進行嵌固部位上下結構的整體計算，這就給結構分析工作帶來極大的便利。對于復雜結構，往往需要根據工程具體情況分別進行這樣兩種計算模型的分析計算，在工程設計中予以綜合考慮。

2 計算嵌固端的設定與條件

2.1 嵌固端設在地下室頂板處須滿足的主要條件

根據規范、規程條文及相關文獻，主要條件有以下幾點:

(1)地下室必須是四周覆土且回填土滿足夯實要求的全埋式地下室。當坡地建筑的地下室為三面覆土一面敞開時，即使地下一層與地上一層的側向剛度比等條件滿足要求，也不能將地下室頂板作為嵌固部位。

(2)地下室頂板避免開設大洞口，地下室在地上結構相關范圍內的頂板應采用現澆梁板結構，其樓板厚度與鋼筋配置滿足構造要求[1][2]。

(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[1][2]。

(4)地下一層不能設置轉換構件[5]。

(5)地下室頂板與室外地坪高差不能太大，一般宜小于本層層高的1/3。如果高差過大，相當于此處存在一個錯層，對水平力傳遞非常不利[6]。

2.2 地下室頂板滿足設置條件時嵌固端的設定

當地下室頂板滿足設置條件情況時，嵌固端宜設在地下室頂板處。這樣設置，不論是帶地下室整體計算還是在嵌固端切開上下部分別計算，計算模型與實際情況都較為吻合，設計概念清楚。由于地上一層為嵌固層，落實相關嵌固層的抗震措施范圍小，處理簡單。

2.3 地下室頂板不滿足設置條件時嵌固端的設定

僅有一層地下室時，嵌固端取基礎構件頂部。

當有多層地下室時，如果側向剛度比不滿足條件，地下二層頂板作為嵌固部位即可，不必要再往下延伸，但地下二層頂板須滿足嵌固部位的樓板要求。此時也無需進行地下二層與地下一層的側向剛度比控制，因為地下二層周圍土的側限約束，此處結構已滿足限定水平側移的要求。

如果地下二層頂板還存在大開洞或設有轉換構件等問題，則嵌固部位應再往下延伸。

3 帶地下室整體分折時的相關設計要點

3.1 嵌固端設在地下室頂板處時上下層側向剛度比控制要求與計算判別

各種版本標準(包括地方標準)的控制要求不盡相同，如《抗規》和《高規》均要求地上一層與地下一層側向剛度比不宜大于0.5，而《地規》和《上海市建筑抗震設計規范》[5]則有所放松。本著執行標準從嚴的原則，我省工程設計時應執行《抗規》和《高規》的規定。由于各版本標準要求不同，所以目前使用的大部分計算軟件不會自動確定嵌固端所在部位，須由設計人員自行判別確定。

進行上下層側向剛度比計算判別時，地下室計算范圍可考慮地上結構以外的地下室相關部位。所謂“相關部位”，《抗規》和《高規》的規定略有不同。《抗規》為按地上結構外延不大于20m，《高規》為按地上結構外擴超過地上結構三跨，建議按雙控處理。

根據《高規》5.3.7條文說明，應采用剪切剛度進行側向剛度比判別。以SATWE計算軟件為例，計算后可查看SATWE計算軟件輸出結果WMASS.OUT文件，以文件中的Ratx、Raty指標是否不大于0.5作為判別依據。

3.2 關于回填土對地下室的約束作用

SATWE計算軟件提供了兩種考慮回填土對地下室的約束作用的方法，分別為指定地下室水平嵌固層法和m值法。

“指定地下室水平嵌固層法”即指定地下室某層沒有水平位移，是過去軟件常用的方法。

“m值法”即指定土層水平抗力系數，程序通過該系數自動計算每層地下室所受到的土層約束，該約束剛度只與埋深和土質相關，而與結構的自身剛度無關，可以模擬隨著埋深增加土的約束作用增強的效果。“m值法”較“指定地下室水平嵌固層法”更為合理，可以體現實際的回填土約束，避免地下室某層出現內力較大突變的情況。SATWE計算軟件用戶手冊[7]建議，m值可以參照《建筑樁基技術規范》(JGJ94－2008)表5.7.5的灌注樁項來取值。在我省的軟土地層中，考慮到基坑支護結構的影響和回填土密實度等因素，m值取3～6較為適宜。

m值的大小與嵌固端的設置條件并無關聯，同時也不影響SATWE軟件計算中地下一層與地上一層側向剪切剛度比的判別結果。

當側向剪切剛度比不滿足要求，嵌固端不設在地下室頂板時，由于回填土的約束作用在地下室頂板處仍存在或弱或強的被嵌固效果，地震災害分析報告也表明絕大多數工程的地上一層屬于結構的最薄弱部位。所以SATWE軟件對于地上一層無論是否嵌固層，均按嵌固層進行設計控制，即滿足規范、規程中關于“柱根”、“墻底”等的要求。

如果存在開設地下室中庭、半地下室等回填土約束減小或消失的情況，除嵌固端下移外，尚應在SATWE軟件地下室參數“扣除地面以下幾層的回填土約束”中填入相應的層數。

3.3 底部嵌固層與相鄰上層側向剛度比要求

《高規》3.5.2條第2款規定，底部嵌固層與相鄰上層側向剛度比不宜小于1.5，否則該層為軟弱層。在帶地下室的整體分折計算時，如果嵌固層不在最底層，由于嵌固部位不能達到完全力學嵌固要求，有可能出現不滿足上述要求的情況，這也是SATWE計算軟件對非最底層的嵌固層不按1.5剛度比進行設計控制的原因。針對這種情況，在設計中應單獨建立嵌固端以上部分的結構模型，進行底部嵌固層與相鄰上層側向剛度比計算分析，判斷底部嵌固層是否為軟弱層。

3.4 應注意的幾個問題

(1)分別采用振型分解反應譜法、時程分析法、推覆計算法計算時，計算模型的嵌固部位需一致。

(2)在時程分析選擇地震波時，宜單獨建立嵌固端以上結構模型進行地震波“在統計意義上相符”的判定。

(3)剪力墻底部加強部位的高度應從地下室頂板算起;當結構計算嵌固端位于地下一層底板或以下時，底部加強部位宜延伸到計算嵌固端。目前SATWE計算軟件在確定剪力墻底部加強部位的起始層和高度時，均能滿足上述要求，并在多塔定義中提供了修改功能，必要時可進行調整。

(4)對于框剪結構、框筒結構中框架剪力需要根據0.2Vo或1.5Vf、max進行調整的結構，調整起始層應取在嵌固層。

(5)多墻或少墻框剪結構，根據結構底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結構總傾覆力矩的比值確定相應的設計方法時，應取嵌固層的比值作為判斷依據。

(6)允許嵌固層以下二層起逐層調低抗震構造措施的抗震等級，但不應低于四級。

4 結語

計算機與計算軟件的進步，使地下室參與整體分折計算成為可能，但也帶來嵌固端的正確設定和相關設計控制等問題。因此，我們必須正確地理解結構嵌固端的設計概念，準確地運用計算軟件提供的條件與功能進行結構計算分析與工程設計，保證結構嵌固端及相關設計控制滿足規范、規程要求。

[1]GB50011－2010，建筑抗震設計規范[S].

[2]JGJ3－2010，高層建筑混凝土結構設計規程[S].

[3]GB50010－2010，混凝土結構設計規范[S].

[4]GB50007－2011，建筑地基基礎設計規范[S].

[5]DGJ08－9－2013，上海市建筑抗震設計規范[S].

[6]沈耀軍.結構嵌固層的判定與設計控制.第二十三屆全國高層建筑技術交流會論文集.

[7]SATWE多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件用戶手冊.中國建筑科學研究院.