高層建筑上部結構嵌固部位的研究

劉 建

(湖北省工業建筑集團有限公司設計咨詢分公司，湖北 武漢 430064)

0 前 言

隨著我國經濟快速發展，城市高層建筑不斷增多，建筑功能復雜多樣，使得建筑結構體系更復雜。根據建筑使用功能的需要及工程造價的經濟性，帶地下室的建筑已成建筑行業主流。高層建筑上部結構的嵌固部位是結構計算中的一個重要假定，它不僅關系到結構中某些構件的內力分配的準確性，還影響結構產生側移的真實性及結構的局部經濟性[1]。

1 嵌固部位的概念

“嵌固部位”在結構設計中是一個“區域”概念，而不是理論上的“嵌固點”或“嵌固端”。“嵌固端”是指力學意義上的約束端，它強調的是一個“嵌固點”，各向位移完全約束，使之不能有任何位移，屬于力學概念，即力學中的固接。固接是指完全剛性的固定，固接點以下剛度無限大，固接點無平動、轉動。但實際的結構不具備這樣的點，只有相對位移較小的點，所以嵌固也是相對的。

結構設計中的“嵌固部位”是確保塑性鉸出現的部位，它強調的是強度概念，上部結構的嵌固是強度嵌固。當地下室頂板作為上部結構嵌固部位時，強度嵌固可理解為地下室抗側力結構及周邊填土的總剛度達到限制上部結構水平及豎向位移而不限制其轉角位移的能力，使上部結構柱的塑性鉸出現在地上一層的下端，而不出現在梁柱節點的梁端及下柱上端，以達到嵌固部位的“強梁弱上柱”機制[2]。

根據工程經驗，地下室頂板作為上部結構的嵌固部位時，結構的加強部位明確，地下室加強范圍高度較小，嵌固部位在地下室頂板是最經濟的選擇。只有地下室才具備對上部結構嵌固的基本條件，上部其他樓層(如裙房頂處)，即使滿足剛度比要求也不能成為其上部結構的嵌固部位，應按剛度突變樓層考慮[3]。

2 國家規范中對嵌固部位的規定

2.1 側向剛度比的規定

結構的嵌固問題，本質上是嵌固部位上下層的側向剛度比問題。計算模型所取的嵌固部位不同，上部結構的計算結果也有較大差異。

《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)(2016年版)(以下簡稱《抗規》)中第6.1.14條第2款：地下室頂板作為上部結構的嵌固部位時，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[4]。

《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3—2010)(以下簡稱《高規》)中第5.3.7條：高層建筑結構整體計算中，當地下室頂板作為上部結構嵌固部位時，地下1層與首層側向剛度比不宜小于2[5]。

《高層建筑筏形與箱形基礎技術規范》(JGJ6—2011)(以下簡稱《筏基規范》)中第6.1.3條第2款：在地下室的四周外墻與土層緊密接觸的前提下，上部結構為框架、框架-剪力墻或框架-核心筒結構時，對采用筏形基礎的單層或多層地下室以及采用箱形基礎的多層地下室，當地下1層的結構側向剛度KB大于或等于與其相連的上部結構底層樓層側向剛度KF的1.5倍時，地下1層結構頂板可作為的結構上部結構的嵌固部位[6]。

2.2 抗震措施及構造措施的規定

上部結構的嵌固部位的抗震措施及構造措施詳見《抗規》中第6.1.3條，6.1.14條及《高規》中第12.2.1條，限于篇幅，不在此贅述。

3 剛度比的計算方法

《抗規》未給出判斷上部結構嵌固部位時的側向剛度計算方法，《高規》中5.3.7條條文說明指出樓層側向剛度比可按本規程附錄E.0.1條公式計算。根據《高規》相關公式可總結出側向剛度比的計算方法。

3.1 方案階段及初步設計階段

在方案階段及初步設計階段可按下式采用手工估算等效剪切剛度比γe：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，γe為地下第i層與地上第1層的等效剪切剛度比；K1、K-i為分別為地上第1層和地下第i層的等效剪切剛度；G1、G-i為分別為地上第1層和地下第i層的混凝土剪變模量，N/mm2；A1、A-i分別為地上第1層和地下第i層的折算抗剪截面面積，m2；Aw,1、Aw,-i分別為地上第1層和地下第i層全部剪力墻在計算方向的有效截面面積(不含翼緣面積)，m2；Ac1,j、Ac-i,j分別為地上第1層第j根柱和地下第i層第j根柱的截面面積，m2；h1、h-i分別為地上第1層和地下第i層的層高，m；hc1,j、hc-i,j分別為地上第1層第j根柱和地下第i層第j根柱沿計算方向的截面高度，m；C1,j、C-i,j分別為地上第1層第j根柱和地下第i層第j根柱截面面積折算系數，當計算值大于1時取1。

3.2 施工圖設計階段

應采用結構設計軟件建立含上部結構和地下室的結構模型，使用電算結果按下式計算側向剛度比γ：

(6)

3.3 剛度比計算的幾點說明

1)計算地下室側向剛度時，可考慮地上結構以外的地下室相關范圍內的結構，“相關范圍”指地上主體結構(不含大面積裙房)外擴不超過三跨且不大于20 m的地下室范圍。

3)有多層地下室剛度比計算時，一定是地下室某層的剛度與地上1層的剛度的比值，當地下1層與地上1層剛度比不滿足要求時，應接著驗算地下2層與地上1層的剛度比，而不能取地下2層與地下1層的剛度比進行判斷嵌固部位。確定嵌固部位考察的是地下室對上部結構的嵌固作用，剛度比始終是對上部結構首層的比值。

4)《筏基規范》中規定地下室頂板作為上部結構的嵌固端時，地下室(含上部結構相關范圍結構)與上部1層側向剛度比不小于1.5，但未給出側向剛度的計算方法，且要求地下室的四周外墻與填土緊密接觸。由于施工時肥槽回填質量不便控制，在此不探討《筏基規范》的相關規定。

4 確定嵌固部位的其他因素

除上述剛度比不滿足要求時地下室頂板不能作為上部結構的嵌固端外，還應結合以下因素來確定上部結構的嵌固部位。

4.1 地下室頂板開洞

地下室頂板少量開洞后，樓板剛度削弱，導致洞口周邊塔樓豎向構件的水平力通過樓板的傳遞途徑重分布，對洞口周邊的梁、板加強是有必要的；當地下室頂板開大洞時，地下室頂板能否作為上部結構的嵌固端需要做專門的分析論證來確定[8]。

4.2 地下室頂板處高差過大

文獻[2]提出，當高差小于地下室層高的1/3時，可采取加強措施來保證地下室頂板的連續性，使其符合嵌固部位的要求；當高差大于地下室層高的1/3時，應慎重考慮地下室頂板作為上部結構嵌固部位的合理性。

4.3 構造要求

當嵌固端的構造要求不能滿足《抗規》中第6.1.3條，6.1.14條及《高規》中第12.2.1條的規定時，不建議作為上部結構的嵌固部位。

5 工程案例

5.1 工程概況

湖北省襄陽市某小區，設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，Ⅱ類場地，基本風壓0.35kN/m2，地面粗糙度為B類，地下1層大面積地下室上多棟塔樓，其中3#樓為地上28層。因地下室可能開大洞口，現分別將地下室頂板作為與不作為上部結構的嵌固部位對相關指標進行分析，其中地下室頂板作為上部結構嵌固部位時的模型中含上部結構相關范圍內的結構構件，地下室頂板不作為上部結構嵌固部位時的模型中不含上部結構相關范圍內的結構構件，采用YJK1.9.3.2結構設計軟件計算。

5.2 自振周期

地下室頂板作為與不作為上部結構嵌固部位時，3#樓自振周期見表1。

表1 各模型的自振周期 單位：s

表1數據表明地下室頂板作為上部結構嵌固部位時，結構的兩個平動周期與扭轉周期均有所下降。

5.3 等效剪切剛度比

地下室頂板作為與不作為上部結構嵌固部位時，3#樓的等效剪切剛度比見表2。

表2 各模型的等效剪切剛度比

注：上表的剛度比不能用于豎向規則性的判斷，判別豎向不規則時應按《高規》中3.5.2條規定執行。

計算表明，兩種模型的上部結構構件的配筋率也有較大差異。

6 結 論

詳細分析了嵌固部位的概念，總結了國家相關規范對嵌固部位的規定，得出了適用于確定嵌固部位的剛度比計算方法，討論了影響嵌固部位的其他因素，給出了工程案例，研究表明：同一項目因嵌固部位的不同會影響結構的整體指標及結構構件內力，結構設計的成果也有較大差別。實際工程中，上部結構嵌固部位的確定較為復雜、困難，建議采用包絡設計法，進行不同嵌固部位的多種模型分析計算，取不利情況進行結構設計。