非全埋地下室頂板作為結構嵌固部位的探討

唐宗鵬

(中船第九設計研究院工程有限公司重慶分院，重慶 401120)

0 引言

結構設計中常常需要確定上部結構的嵌固部位。嵌固部位確定后，結構單元的劃分就可以只在嵌固部位標高上面的結構平面范圍進行，上部結構的計算也可以取嵌固部位標高以上的結構進行，這給地面上多個塔樓共用一個地下室的建筑結構設計帶來許多便利，結構體系更清晰，結構造價也更經濟。

1 問題背景

對于帶地下室的結構，合理確定上部結構的嵌固部位，是確定結構體系，保證結構計算模型的準確，合理評估結構抗震性能，降低工程造價的一個重要條件。

抗震規范明確了地下室頂板作為上部結構嵌固部位的條件，一是要求結構地上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；二是要求地下室應為完整的地下室[1]。山地建筑場地標高變化較大，常常遇到地下室某些方向不能全埋(即非完整)。這種地下室頂板能否作為上部結構的嵌固部位，規范并沒有明確的規定。這給山地建筑結構設計人員帶來很多的困擾。國內近幾年也出現了關于這方面的研究。張誠江、肖常安兩位作者在《帶非全埋地下室的高層建筑嵌固端的選取研究》一文中，采用M法模擬回填土對地下室的約束作用，對模型進行了彈塑性分析，研究得出：一面開敞的非全面地下室嵌固端可以選在地下室頂板處，并在一定范圍內增大連梁及框架梁剛度與增加底層豎向構件配筋的方法來延遲地下1層塑性鉸出現的時間[2]；高層建筑結構嵌固端的選取是高層結構計算分析中的一個重要環節,選取的結果直接影響結構模型分析的準確性以及結構的安全性[3]。

可見，非全埋地下室頂板能否作為結構嵌固部位這一問題具有普遍性，對其進行研究具有必要性和迫切性，也具有很大的實用價值。本文正是從這一實際問題出發，探討了將非全埋地下室頂板作為嵌固部位的分析思路。

2 問題探討

對于非全埋地下室，如果地下室頂板能作為上部結構的嵌固部位，那么在對地上部分結構進行地震作用下的受力分析時，就可以只取地上部分進行。這樣對于上部結構，特別是地下室頂板以上存在多個塔樓的情況，各個塔樓就可以按各自獨立的結構單元進行分析，使得很多分析大大簡化。

非全埋地下室常見的情況如下：

三面填土；少于三面填土。

由于非全埋，導致各個方向土體對結構的約束作用不能按全地下室考慮，土體的約束貢獻的剛度就不好確定。但是相關范圍地下室擋墻的結構剛度可以準確的考慮。

3 模型建立

結構概況：地上8層、地下2層的框架結構，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度0.15g，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.35 s。

采用PKPM V5.1.3結構設計軟件，分別建立下面三種模型如圖1～圖3所示。

1)上部結構不帶地下室的模型；

2)上部結構相關范圍帶四面圍合擋墻模型，不考慮填土的約束作用；

3)上部結構相關范圍帶三面圍合擋墻模型，在沒有地下室開敞面塔樓相關范圍適當增設剪力墻，不考慮填土的約束作用。

4 多遇地震下的結構彈性分析

通過計算，三個模型的結構主要指標如表1所示。

表1 多遇地震下的結構主要指標對照表

可以看出四面圍合的模型和三面圍合擋墻的模型相比，結構整體主要周期相差2.3%，地上首層地震剪力相差僅1%，這樣小的誤差在進行上部結構設計驗算時完全可以只取地下室頂板以上的結構進行操作。

5 罕遇地震下的結構彈塑性分析

對以上三個模型進行罕遇地震下彈塑性分析(為說明問題，僅僅取一個主軸方向進行)，考察該地震水準下結構的受力特性。選擇地震波為CHI-CHI,TAIWAN-04_NO_2721，特征周期為0.40 s，地震波的相關參數詳見圖4。

通過計算，三個模型的結構主要指標如表2所示。

表2 罕遇地震下的結構主要指標對照表

從表2可以看出，大震下三種模型結構在主要周期、最大頂部位移都十分接近，地上首層剪力誤差稍大，這是因為不帶地下室的模型的首層柱子底部采用了固定約束支座，導致結構整體剛度增大，周期減小；而實際帶地下室模型首層允許發生轉角和水平位移，整體剛度相對變小，周期增長。

三個模型的結構主要層間位移分布如圖5～圖7所示。

從圖5～圖7中看出，三個模型地下室頂板以上樓層的層間位移角分布情況和最大層間位移角出現的樓層都十分接近，表明彈塑性無論是三面地下室還是四面全埋地下室，僅僅取地上部分模型在罕遇地震作用下的結構變形特性沒有改變。

三個模型的彈塑性時程分析最終塑性鉸分布如圖8～圖10所示。

從圖8～圖10中看出，三個模型地上部分塑性鉸開展情況十分接近，都是先發生在地上部分的框架梁端；對于帶地下室的模型，無論是三面有擋墻還是四面有擋墻，框架柱塑性鉸都只出現在地下室頂板以上的樓層，且底層和頂層最為發育，和不帶地下室模型塑性鉸的出現和分布規律趨于一致。

6 結語

判斷全埋地下室頂板能否作為上部結構的嵌固部位，除滿足規范對嵌固層的要求外，需要對結構進行補充分析：

比較作為頂板以上結構模型和帶地下室模型做地震作用下的受力差異，確保僅僅取地下室頂板以上結構模型計算的地震作用對結構產生的效應不能低于帶地下室的模型。

對帶地下室模型進行整體彈塑性分析，考察塑性鉸的分布情況，確保柱子的塑性鉸出現在地下室頂板以上首層，而不出現在上部塔樓對應范圍的地下室內。對分析結果中有柱子塑性鉸出現在地下室范圍的情形，可以通過在地下室上部塔樓相關范圍增設剪力墻、調整地下室梁柱配筋等措施，來控制柱子塑性鉸出現在上部結構，從而保證地下室頂板作為上部結構的嵌固部位。

總之，對地下室頂板以上結構模型和帶地下室模型分別計算分析，必要時可以根據需要在地下室增設剪力墻，調整地下室頂板結構承載力，對比二者在不同地震水準下結構的受力特性和抗震性能，二者差異通過分析評估和采取針對性措施，確保結構設計安全，就可以將地下室頂板作為上部結構的嵌固部位。