探究高層建筑結構嵌固端的選取

崔艷東

【摘要】在高層建筑結構設計中，無論選擇哪個部位作為結構嵌固端，都可以通過結構計算程序獲得準確的計算結果，但我們期望的是計算結果較真實地反映結構的實際情況。為了達到這一目的，結構計算時輸入正確的參數和數據固然相當重要，但結構嵌固端的確定對結構計算結果的影響也相當大，且在嵌固端確定后設計中如何保證其成為真正的嵌固端，還有許多細節有待研究和完善，這是結構設計人員不能忽視的重要環節。

【關鍵詞】嵌固端；選取；高層建筑；結構設計

嵌固端就是預期塑性鉸出現的部位，結構下部的嵌固部位應能限制結構上部構件在水平方向的平動位移和轉角位移，并將上部的結構剪力全部傳給下部結構，因此對作為主體結構嵌固部位的地下室樓層的整體剛度和承載力加以控制，使塑性鉸出現在預定的部位。

在對高層建筑進行結構分析計算之前，首先必須確定結構嵌固端的所在位置，因為不同的嵌固端位置將直接影響整個體系的自振周期、地下室抗震等級、水平荷載下的側向位移及地震作用分配和內力控制截面的變化，直接導致構件不同的配筋結果，將對整個建筑的安全產生影響。因此對結構嵌固端的選取作進一步探討。

1、與嵌固端相關的技術問題

1.1大底盤多塔樓

大底盤多塔樓大多為商住綜合體，而且由于商用及居住性質不同，對柱網的要求也不同，故通常需設置結構轉換層。當大底盤的商用部分層數不多（如僅1-2層），且結構轉換層設于大底盤的屋頂標高處時，塔樓的嵌固端就可考慮取在大底盤的屋頂處，至少在塔樓初算時可以如此假定。這一考慮基于以下兩點：①既然屬大底盤，其樓層面積肯定大于塔樓的投影面積，加上大底盤屋頂設置轉換層，故大底盤的樓層平面剛度遠大于塔樓的樓層剛度；②轉換層之上通常為剪力墻結構，為使轉換層上下部的側向剛度相近，大底盤部分肯定要將原位剪力墻增厚或增加新的剪力墻，從而使塔樓下的大底盤部分具有足夠的側向剛度。因此大底盤多塔樓建筑均以整體結構進行計算，其嵌固端也不像結構初算階段選擇在大底盤屋頂標高處。

1.2首層樓面的活載作為結構嵌固端的首層樓面（地下室頂板）

正常使用時的活載一般不太大，即使作為商業用途，其活載也僅為3.5kN/m2，但設計中要考慮施工過程中可能產生的施工荷載，對于首層梁板構件取活載8.0-10.0kN/m2則往往是必要的。當高層建筑主體結構建至2層樓面時，首層地面必然就成為施工場所，或用于堆放材料，或用于鋼筋加工，甚至作為載重汽車的行駛停放場等，即使是臨時荷載，其樓面活載也就有必要取較高值（該活載值僅作用于該層梁板，并不需傳給豎向構件的墻柱）。

1.3單層地下室

當高層建筑僅設單層地下室且底板采用天然地基筏板基礎或樁筏基礎時，通常選擇基礎底板而非首層作為結構嵌固端，這有利于充分利用其基礎的“無限”剛度，為首層樓面的靈活結構選型創造條件，即使是首層樓面留有大孔洞，或選用無梁樓蓋結構，都不影響結構計算的準確性。此外，規范規定地下室負一層的抗震等級與上部結構必須一致，以基礎底板作為嵌固端不會造成地下室結構造價的提高，反而可能取得較好的經濟效益。即使單層地下室底板是以樁為基礎的普通梁板結構，一般情況下仍然取底板處為結構嵌固端，唯一例外的是地下室作為抗爆級別較高的防空地下室時，其頂板通常具有作為結構嵌固端的剛度，因此可取其作為上部結構的嵌固端。

1.4高層建筑的基礎埋深

在研究探討高層建筑的結構嵌固端時，必然牽涉到其基礎埋深問題，高層建筑基礎要具有一定的埋置深度，首先是為了保證結構的整體穩定（包括抗滑），其次有利于減弱地震反應。規范對高層建筑的基礎埋深有一量化規定，即“天然地基或復合地基基礎，可取1/15，樁基礎可取1/18”，但這一規定僅與建筑物的總高度有關，而與其它因素無關。

2、地下室嵌固在設計軟件中的實現

目前，國內常用的結構設計軟件大致可以分為大型通用有限元分析軟件SAP2000和基于桿件模型的三維分析軟件如中國建筑科學研究院研發的PKPM系列軟件中的SATWE等。工程應用中常用類似PKPM中的SATWE進行結構設計與校核，使得結構設帶地下室的高層建筑結構的整體模型中的各種計算要素及假設如何在設計軟件中主要通過以下幾種方法實現：

2.1限制位移法

SATWE：輸入地下室層數，將地下室信息中“回填土對地下室的約束相對剛度比”填為地下室層數參數。地下室層號從下往上數，該參數若為-2，表示嵌固在地下室倒數第2層的頂板上；若為-1，表示嵌固在最底一層地下室的頂板上。

2.2彈簧剛度法

SATWE：無需直接輸入水平彈簧剛度的真實值，而是間接要求輸入“回填土對地下室約束作用的相對（彈簧）剛度比”，其含義是回填土的約束剛度與地下室本身抗側移剛度的比值。

（1）以地下室底板作為嵌固端，取相對剛度比為0。這種方法相對比較保守，增加了結構的計算高度，沒有考慮地下土體對地下室的側面嵌固作用，計算模型與實際情況有所誤差。（2）以地下室底板作為嵌固端，取相對剛度比為2～4，一般取3，此時相當于將地下室水平位移約束70%～90%。這種方法對于地下室外的土壓力有一定的考慮，但是由于影響土對地下室的約束作用的因素很多且十分復雜，很難具體確定約束作用的大小，也很難量化，所以這種方法不夠精確。但地下室頂板為嵌固端示意圖是相對于不考慮土壓力或者認為土壓力無限大的情況，這種方法稍好。（3）以地下室頂板作為嵌固端，取相對剛度比為5或者更大，則表示回填土約束剛度無限大，相當于地下室完全嵌固模型。

結語：

綜上所述，高層建筑在進行結構分析計算之前必須首先確定結構嵌固端的所在位置，而嵌固端的選取卻面臨著各種不同情況，如不設地下室但基礎埋深較大；沒有地下室但其層數或多或少，且基礎形式不同等。根據以上情況正確選取其結構嵌固端，是高層建筑結構計算模式中的一個重要假定，它不僅關系到結構中某些構件內力分配的準確性，而且還影響結構產生側移的真實性，以及結構局部的經濟性。

參考文獻：

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