关于高层建筑嵌固端的选取及相关分析

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摘要: 指出高层结构嵌固端定义及选取，从设有地下室和不设地下室两种情况探讨了地面标高处成为结构嵌固端的条件，以及在计算模型中如何建模，对与嵌固端相关的技术问题进行了分析研究，以使高层建筑结构设计计算结果能更真实地反映结构的实际情况。

关键词: 高层建筑嵌固端基础埋深 地下室

中图分类号：TU97文献标识码： A 文章编号：

目前，大多数高层建筑都带有地下室，在进行结构分析计算时，首先要确定结构嵌固端所在的位置，这是高层建筑结构计算模式中一个重要的假定，它不仅关系到结构中某些构件内力分配的准确性，而且还影响结构产生侧移的真实性，以及结构局部的经济性。在此就嵌固端选取的具置以及计算模型的选取作进一步的探讨。

一、高层结构嵌固端的定义

1、计算嵌固端：即计算模型的嵌固端或力学嵌固端或刚度嵌固端，是指除能承受轴力、弯矩、剪力外，X、Y方向水平位移、竖向位移及转角位移均为零的部位。

2、抗震嵌固端：指预期塑性铰出现部分或强度嵌固端，框架柱的“柱根箍筋加密区”，剪力墙的“底部加强区”就是可能出现塑性铰的部位。 所以在抗震设计中，正确对待嵌固端的选取和处理问题，对保证结构体系的可靠性具有重要意义。

抗震嵌固端是塑性铰出现位置，即强度嵌固端。无论地下室能否满足嵌固端的要求，地下室顶板均是框架柱的“柱根”，剪力墙的“底部加强区部位”应从地下室顶板算起。

二、计算嵌固端的选取要求：

在进行结构的内力和位移分析时，结构的计算嵌固端宜设在基础面，但当有地下室时，可考虑地下室周边挡土墙，在平面内有很大的刚度，墙外土体对地下室有很强的约束，包括前方被动土压力及侧面摩擦力，限制了侧向位移，导致高层建筑在地下室顶部产生刚度突变，在地震作用下，很可能使高层建筑塑性铰由基础顶部转移到地下室顶部以上。

《抗规》6.1.14条及《高规》5.3.7条，以及条文解释中均对地下室顶板做为嵌固端做了相关的规定：

（1）、刚度要求:结构地上一层的楼层侧向刚度，不宜大于相关范围地下一层侧向刚度的0.5倍；地下室周边宜有与其顶板相连的抗震墙。此规范着眼于对地上一层结构侧向刚度的控制，在实际工程中地上一层侧向刚度的调控（减小）余地并不大，而着眼于控制（加大）地下一层及上部结构相关范围的侧向刚度则更为可行。

（2）、顶板要求：

a、顶板必须具有足够的平面内刚度，以有效传递地震基底剪力，其厚度不宜小于180mm,砼强度不宜小于C30,应采用双层双向配筋，且每个方向配筋率不宜小于0.25%；

b、应避免在地下室顶板开设大洞口，此规定目的是要确保上部结构嵌固部位的整体性。常有建筑因设置下沉式广场、商场自动步梯等导致楼板开大洞，对楼板整体性削弱太多，迫使嵌固部位下移。

c、高层建筑地下室顶板及裙房地下室与主楼相关范围的地下室顶板应采用现浇梁板结构。现在较多工程在地下室顶板采用无梁楼盖结构，由于一般无梁楼盖的平面外刚度较普通梁板结构小许多，在竖向荷载作用下无梁楼盖将产生较大的面外变形，地震作用时，地下室顶板作为上部结构的嵌固部位将承受很大的水平地震剪力，加剧了无梁板的面外变形，对传递水平地震剪力和协调结构变形不利。

d、地下室顶板对应于地上框架柱的梁柱节点除应满足抗震计算要求外，尚应符合下列规定之一

①、地下一层柱截面每侧纵向钢筋不应小于地上一层柱对应纵向钢筋的1.1倍；且地下一层柱上端

和节点左右梁端实配的抗震受弯承载力之和应大于地上一层柱下端实配的抗震受弯承载力的1.3倍。

②、地下一层梁刚度较大时，柱截面每侧的纵向钢筋面积应大于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍，同时梁端顶面和底面的纵向钢筋面积均应比计算增大10%以上。这条目的就是确保塑性铰只能在上柱底部截面出现，以实配的抗震受弯承载力的形式实现。

三、嵌固部位设计要点：

1、地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，剪力墙结构应控制在嵌固部位以上一定高度范围内发生屈服，出现塑性铰。这个高度范围作为底部加强部位，应加强抗震构造措施，提高其弹塑性变形能力，加大结构的抗倾覆能力。地下室与上部对应的剪力墙墙肢端部边缘构件的纵向钢筋截面面积不应小于地上一层对应的剪力墙墙肢边缘构件的纵向钢筋截面面积。当地下一层侧向刚度与地上一层侧向刚度比值满足地下室顶板作为上部结构嵌固部位的要求，但由于首层建筑功能的要求，地下室顶板开有大洞口时，地下室顶板不能作为结构嵌固部位，此时应下移嵌固部位位置。

2、当高层建筑仅设单层地下室时，结构设计者通常选择地下室底板作为结构嵌固部位。这是因为高层建筑地下室底板应进行防水设计，结构厚度不小于250mm，这样可以充分利用地下室底板和基础的刚度。但是，此时仍然建议在设计时，将顶板处按嵌固部位的要求进行处理，并采取相应的加强措施。这是因为，结构在地震作用下，地下室很少发生严重破坏，基本都是上部结构发生破坏。选择地下室底板作为结构嵌固部位，由于降低了对地下室顶板的要求，首层楼面设置大孔洞，也不影响结构计算的准确性，可以满足首层建筑功能的灵活布置，可能取得较好的使用空间。由于结构计算嵌固部位位于地下室底板，剪力墙底部加强部位宜向下延伸到计算嵌固部位，底部加强部位的高度应从地下室底板算起。

3、高层建筑没有设置地下室时，通常情况下嵌固部位就是结构的底部。高层建筑不设地下室通常是基础持力层非常好的情况，或者是层数不多的小高层，但从抗震设计考虑，高层建筑宜设地下室。当高层建筑不设地下室时，无论采用何种类型的基础，结构嵌固部位就是基础面，即结构的底部。为保证嵌固部位的刚度，应该在基础面标高处设置一定刚度的基础梁加以连接。这种情况下，首层层高应从基础面算起。抗震设计时，框架－剪力墙结构、板柱－剪力墙结构、剪力墙结构、框架－核心筒结构、筒中筒结构，底部嵌固楼层层间位移角结果较小，要求楼层与相邻上层的侧向刚度比值不宜小于1.5。如果基础面与首层顶标高的距离较大，导致其刚度过小，为满足侧向刚度比值的要求，剪力墙厚度及框架柱断面需要增加较多。由于层高加大，有些墙体稳定验算不满足要求，需要剪力墙加厚或加长。这些，或多或少的影响首层建筑功能。高层建筑没有设置地下室时，结构设计者通常不增加首层剪力墙厚度及框架柱断面，而是在地面标高处做结构处理(例如:增设梁板结构层)，仍选择基础底板作为结构嵌固部位进行设计。这种处理，不但能保证嵌固部位形成，而且使实际设计与结构计算简图很好的符合。

四、计算模型如何选取：

1、无论地下室顶板是否为嵌固端，在计算模型里包含地下室均正确；

2、若顶板满足嵌固端要求，可以仅考虑上部结构建模。

五、结束语：

若地下室顶板具备满足嵌固部位要求的基本条件，一般情况下，应尽量将上部结构的嵌固部位选择在地下室顶面。地下室顶板做为嵌固部位是，结构的加强部位明确，地下室结构的加强范围高度较小，结构的设计经济性好。总之，嵌固部位越降低，总加强范围越大，结构的费用就越高。嵌固部位在地下室顶板是最经济最合理的选择。

参考文献

1.JGJ3一2010高层建筑混凝土结构枝术规程，中国建筑工业出版社，2010

2.GB50011一2010建筑杭震设计规范，中国建筑工业出版社，2010

3.《高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析JGJ3-2010》 朱炳寅