建筑结构嵌固端的确定

建筑结构嵌固端的确定（精选6篇）

建筑结构嵌固端的确定 篇1

摘要：嵌固端的确定是结构设计中非常重要的一项指标, 是结构分析计算中的一个重要假定, 嵌固端的正确设定直接关系到结构计算与结构实际受力状态的符合程度。对于坡地建筑, 设置地下室后, 地下室与上部主楼的关系变得较为复杂。通过一实例分析说明坡地建筑物设置地下室后, 建筑物上部结构嵌固端的确定以及采取的加强措施。

关键词：坡地建筑,上部结构嵌固端,措施

1 工程概况

某工程地上12层, 裙房两层, 地下两层, 建筑高度49.30m, 主要功能为物流中心及公寓, 抗震设防烈度为7度 (0.15g) , 设计地震分组为第三组, 场地的设计特征周期为0.45, 场地类别为Ⅱ类。本工程所处场地为坡地, 建筑物南北高差5.2m, 其中地下1层只有三面有填土。建筑局部剖面如图1所示。

2 上部结构嵌固端的确定

嵌固端指除能承受轴力、弯矩、剪力之外;x向水平位移, y向水平位移, 竖向位移, 位移角均为零的部位。按在地震作用下的屈服机制而言, 就是预期塑性铰出现的部位。

本工程由于地下1层只有三面有填土, 一面敞开, 地下室埋置深度各侧不同, 根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第6.1.14条条文说明, 规范要求的地下室应为完整的地下室, 即地下室周边必须均有填土, 且建筑物±0.000与室外地坪的高差不应大于地下1层层高的1/3。由于地下1层一面无填土, 而且无填土一侧开设有门洞及窗洞, 如果将上部结构嵌固端取至地下一层顶板, 则无法满足作为《上部结构嵌固端的侧限及建筑抗震设计规范》GB50011-2010要求, 而且地下一层处结构受力关系复杂, 计算与实际将严重不符。

为此经初步分析, 确定将本工程上部结构的嵌固端取至地下二层顶板 (标高-4.900) 。并建立结构的计算模型, 分析计算是否地下二层顶满足作为结构嵌固端的条件。同时根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第6.1.14条条文说明:在山 (坡) 地建筑中出现地下室各边填埋深度差异较大时, 易单独设置支挡结构, 即在结构计算时, 地下一层将不能作为地下室计算, 而应取消地下一层周边的回填土约束, 作为地上部分建模计算。

经计算, 地下一层与地下二层的剪切刚度及比值见表1。

通过表1结果分析, 地下一层与地下二层的剪切刚度比均满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第6.1.14条第2款以及《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第5.3.7条要求, 即地下2层顶板可以作为上部结构的计算嵌固端。

如果地下二层剪切刚度不满足嵌固端要求, 则应调整地下二层刚度使其满足作为嵌固端的条件。根据有关文献论证, 将上部结构嵌固端设置在地下室顶板处是最经济的。

3 计算及加强措施

3.1 地下一层计算模型的处理

基于以上分析, 地下一层不能作为地下室计算, 并取消地下一层周边的回填土约束, 作为地上部分建模计算。首次进行试算时, 没有取消填土侧拉通的钢筋混凝土地下室外墙, 经计算发现结构在地下一层产生较大的扭转效应, 位移比很难满足规范要求。经调整模型, 取消填土侧拉通的钢筋混凝土地下室外墙后, 计算结果均满足规范要求。为此, 在填土侧设置永久的挡土墙, 将地下一层周边完全与填土脱开, 并在挡土墙与地下一层之间设置盖板, 盖板两端均采用铰接, 以减小盖板对地下一层顶板处的约束。设置挡土墙后建筑局部剖面如图2所示。

虽然结构计算时地下一层作为地上部分进行结构计算, 但是在实际中本层仍然为地下部分, 为此对本层顶板厚度按照《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第3.6.3条取160mm, 并考虑施工荷载5k N/m2进行计算。

3.2 加强地下二层的措施

地下二层为嵌固层, 为了保证嵌固端的实现, 根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第6.1.14条要求, 地下二层顶板避免开设大洞口, 楼板厚度取180mm, 采用双层双向配筋, 且每层每个方向的配筋率不小于0.25%, 同时地下二层柱截面每侧纵向钢筋不应小于地下一层柱对应纵向钢筋的1.1倍, 地下二层梁端顶面和底面的纵向钢筋应比计算值增大10%采用, 且地下二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下一层柱下端实配的抗震受弯承载力的1.3倍。

4 结论

在结构设计计算中, 嵌固端的正确设定直接关系到结构计算与结构实际受力状态的符合程度。坡地建筑上部结构嵌固端的合理确定更是尤为重要, 在设计之前, 首先应对地下部分逐层分析判断是否满足嵌固端条件, 对局部填土侧应设置永久挡土墙, 这样使得结构受力关系清晰明确。同时, 应对嵌固端按照规范要求采取加强措施, 保证结构计算与结构实际受力状态符合。

参考文献

[1]GB50011-2010, 建筑抗震设计规范[S].

[2]JGJ3-2010, 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]吴汉福, 戴国莹, 袁文章.上部结构嵌固部位的处理[J].建筑结构, 2013, 43 (3) :122-124.

[4]朱炳寅.建筑抗震设计规范应用与分析[M].北京:中国建筑工业出版社, 2011.

建筑结构嵌固端的确定 篇2

关键词：嵌固端,抗震等级,地下室

1 引言

高层建筑一般都带着多层地下室,而在进行结构分析之前必须确定结构的嵌固部位,该嵌固部位的正确选择是高层建筑结构计算模型的一个重要环节,它直接关系到结构计算模型与实际受力状态之间的符合程度,涉及到构件的内力和位移计算。而且嵌固部位的选取于地下室抗震等级的确定有密切的关系,嵌固部位能将上部结构的地震力传递到全部地下室结构,因此有必要探讨下地下室结构嵌固端选取及其抗震等级的确定。

2 结构嵌固端的条件

在高层建筑结构中,嵌固端通常选取在首层地下室顶板,但地下室顶板要真正成为结构嵌固端是有条件的。地下室结构将具有足够的整体刚度和足够的承载力,在地震作用下,当上部结构进入弹塑性工作阶段,地上1层柱底或墙底出现塑性铰时,地下室结构仍可保持弹性工作状态。

2.1 多层地下室的建筑

多高层建筑当设置地下室时,上部结构是嵌固在地下室1层顶板部位还是嵌固在地下室的地下2层顶板部位,亦或是嵌固在筏板基础顶面或箱形基础顶面,应由地下室结构的楼层侧向刚度与相邻上部结构楼层侧向刚度之比等条件来确定。

1)地下室顶板作为上部结构嵌固部位时,应符合下列要求:

(1)根据《高规》第5.3.7条规定:高层建筑结构计算中,当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时,地下室的楼层侧向刚度不应小于相邻楼侧侧向刚度的2倍。

(2)地下室结构应避免顶板开设大洞口。

(3)地下室顶板不应采用无梁楼盖的结构形式,应采用现浇梁板结构,其楼板厚度不宜小于180mm,混凝土强度等级不宜小于C30,应采用双层双向配筋,且每层每个的配筋率不宜小于0.25%。

(4)地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积,除应满足计算要求外,不应小于地上一层对应柱每侧纵筋面积的1.1倍。(地下室柱子多出的纵向钢筋不应向上延伸,应锚固于地下室顶板的框架梁内)。地下室剪力墙的配筋不应少于地上一层剪力墙的配筋。

(5)地上一层的框架结构柱下端截面和剪力墙墙低截面的弯矩设计值应符合《抗震规范》第6.2.3条、6.2.6条、6.2.7条的规定,位于地下室顶板的梁柱节点左右梁截面实际受弯承载力之和不宜小于相邻上下柱端实际受弯承载力之和。

(6)当地下室的层数为1层,其顶板满足作为上部结构嵌固部位的条件,且符合系列规定时,地下室的顶板仍可作为上部结构的嵌固部位,不必考虑《抗震规范》第6.1.14条条文说明的地下室层数不宜少于2层的要求:

(1)地下室顶板于室外地面的高差不大于地下室层高1/3。

(2)地下室的埋深满足《地基基础规范》的规定,地下室外墙外侧基坑回填土质量良好,压实系数符合《地基基础规范》的要求。

2)结构设计时,应尽量创造条件,使地下室顶板满足作为上部结构嵌固部位的要求(例如,增大地下室结构的楼层侧向刚度,或者减小上部结构的楼层侧向刚度)。当地下室顶板无法满足上部结构的嵌固部位时,一般来说,地下2层顶板(地下1层底板)通常可满足上部结构嵌固部位的要求,其条件是:

(1)地下1层楼层的侧向刚度应大于地上1层楼层的侧向刚度;地下2层的楼层侧向刚度应大于地下1层楼层的侧向刚度;地下2层楼层的侧向刚度不应小于地上1层楼层侧向刚度的2倍。

(2)地下2层顶板的开洞限制、板厚、板的混凝土强度等级、板的配筋、柱的配筋、梁的配筋及剪力墙的配筋等,其要求与作为上部结构嵌固部位的地下室顶板相同。

为了确保安全,结构设计时,宜取上部结构嵌固在地下二层顶板和上部结构嵌固在地下1层顶板(地下室顶板)的计算结果取大值。

2.2 无地下室的建筑

高层建筑不设地下室通常是针对层数有限的小高层,或其基础持力层较浅的情况,但从抗震角度考虑是不宜提倡的,规范规定,高层建筑结构宜设置地下室。

1)不管是采用天然地基基础、桩基础、筏板基础以及箱形基础等,都是以基础面作为结构嵌固端,且必须在该标高处的纵横方向设置刚度较大的基础梁加以连结,故首层层高应从基础面算起;

2)若基础(承台)面标高与首层标高有一定距离而不设基础梁连结或其刚度过小,则地面标高处应设有刚性地面来作为结构嵌固端,首层层高可从地面层算起。若不设刚性地面,则上部结构无从形成嵌固端,也即结构计算简图不成立,设计上显然是不允许的。

以上列举的条件无非是说明要成为上部结构的嵌固端,其下部结构必须具有足够的刚度以保证柱根之间不产生相对位移,且能承受或平衡柱根弯矩。规范中规定“当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时,地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍”正是基于这一考虑。

3 与嵌固端相关的抗震等级的确定

高层建筑结构地下室嵌固端的确定,就可以根据嵌固端的位置,确定地下室的抗震等级,以下将分别探讨。

1)当嵌固在地下室顶板时,按照《高规》的规定,原则上,除与上部结构直接相连的地下室1层结构的抗震等级应与上部结构相同外,地下1层以下各层的抗震等级可根据具体情况采用二级、三级或者更低的等级。但地下1层以下各层的抗震等级宜逐层降低一级,而且7度地震区不宜低于四级,8度地震区不宜低于三级,9度地震区不宜低于二级;乙类建筑在6度地震区不宜低于四级,7度地震区不宜低于三级,8度地震区不宜低于二级,9度地震区应专门研究。地下室中无上部结构的部分,可根据具体情况采用三级或者更低的等级。

2)当嵌固在地下2层顶板时,地下2层顶板的抗震等级宜与地下1层相同,地下1层的抗震等级与上部结构相同。

3)当嵌固在基础时,地下室抗震等级应与上部结构相同。

由于整体性能和建筑功能的需要,高层建筑一般都有1层或多层地下室,且通过合理设计,容易满足上部结构嵌固于地下室顶板标高位置(±0.0)位置的条件或者地下二级顶板标高位置的条件,因此,一般地下室结构的抗震等级可按以上规定确定。

对于±0.0标高确实不能作为上部结构嵌固部位的情况,实际嵌固部位所在楼层以及其上部的地下室楼层(与地面以上结构对应的部分)的抗震等级,可取为与上部结构相同或根据地下室结构的有利情况适当放松。

4 结语

随着高层建筑在我国的迅速发展,建筑高度不断增加建筑类型与功能愈来愈复杂,使得结构类型与体系、结构分析更加多样化和复杂化。在高层建筑结构设计中,无论选择哪个部位作为结构嵌固端,都可以通过结构计算程序获得准确的计算结果,但我们期望的是计算结果较真实地反映结构的实际情况。为了达到这一目的,结构计算时输入正确的参数和数据固然相当重要,但结构嵌固端的确定对结构计算结果的影响也相当大,因此重视结构嵌固端的确定并非微不足道,且在嵌固端确定后设计中如何保证其成为真正的嵌固端,还有许多细节有待研究和完善,而且结构嵌固端的选取,直接影响地下室抗震等级的确定。嵌固层部位的选择还涉及到地震能量的大小,假如地下室有20m深,那么嵌固在地面与嵌固在基础底板上,实际地震波是不一样,嵌固在基础时地震波比较小,因为地震波是一个逐渐放大的过程,但是此时结构的总质量又大,因此很难权衡嵌固在哪里计算更合适。实际上很多较高的高层建筑的底部嵌固情况都是界于地面和基础之间的,由于工程具体情况的多样性和复杂性各异,从技术性和经济性出发,很难也不可能只存在惟一的解决途径,因此对于有些重要的项目,经常取不同的嵌固层都计算进行包络和偏保守设计,并且整个构造都是要考虑的,这就需要结构设计人员因地制宜根据自己掌握和理解的程度于以决断。

参考文献

[1]JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规范[S].

[2]GB50011-2001建筑抗震设计规范(2008年版)[S].

刍议高层建筑嵌固端的选取 篇3

结构嵌固端的条件

高层高层建筑的结构嵌固端通常是选择在地面标高处, 但地面标高处要真正成为结构嵌固端是有条件的, 而且在输入首层计算高度时还有许多讲究。

1.设有地下室时的条件

1) 地下室顶板标高与室外地坪的高差不能太大, 极端的情况如半地下室则首层楼面一般不能成为结构嵌固端, 除非其高差仅为1—3级台阶高度时才可能考虑;

2) 地下室顶板结构应为梁板体系 (即不可设计成元梁楼盖) , 且该层楼面不得留有大孔洞, 楼面框架梁的抗弯刚度要足够大, 楼板也要有相当厚度;

3) 地下室侧壁要有良好的侧限, 即必须与“地球”有良好的接壤, 上述半地下室顶板不能成为结构嵌固端的原因就是不满足此条件。

对于上述条件中对首层楼面框架梁的要求, 假设满足《抗震规范》第6.1.14条

“位于地下室的梁柱节点左右梁端截面实际受弯承载力之和不宜小于上下柱端实际受弯承载力之和”的要求, 对于高层建筑来说, 由于首层处的柱截面往往远大于框架梁截面, 故即使有意增大框架梁截面并增加抗弯钢筋用量, 上述要求仍很难满足。

就此要求而言, 则只有多层或小高层建筑才有可能以首层顶板作为结构的嵌固端, 而真正意义的高层建筑则完全排除了这种可能性。

2.不设地下室时的条件

高层建筑不设地下室通常是针对层数有限的小高层, 或其基础持力层较浅的情况, 但从抗震角度考虑是不宜提倡的。

1) 不管是采用天然地基基础或桩基础, 都是以基础 (承台) 面作为结构嵌固端, 且必须在该标高处的纵横方向设置刚度较大的基础梁加以连结, 故首层层高应从基础面算起;

2) 若基础 (承台) 面标高与首层标高有一定距离而不设基础梁连结或其刚度过小, 则地面标高处应设有刚性地面来作为结构嵌固端, 首层层高可从地面层算起。若不设刚性地面, 则上部结构无从形成嵌固端, 也即结构计算简图不成立, 设计上显然是不允许的。

以上列举的条件无非是说明要成为上部结构的嵌固端, 其下部结构必须具有足够的刚度以保证柱根之间不产生相对位移, 且能承受或平衡柱根弯矩。规范中规定“当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时, 地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的二倍”正是基于这一考虑。

与嵌固端相关的技术问题

结构嵌固端的形成或者说上部结构对嵌固端的要求, 在工程设计中还可引伸出若干相关的技术问题及其正确的设计方法, 以下将分别探讨。

1. 单层地下室

当高层建筑仅设单层地下室且底板采用天然地基筏板基础或桩一筏基础时, 通常选择基础底板而非首层作为结构嵌固端, 这有利于充分利用其基础的“无限”刚度, 为首层楼面的灵活结构选型创造条件, 即使是首层楼面留有大孔洞, 或选用无梁楼盖结构, 都不影响结构计算的准确性。此外, 规范规定地下室负一层的抗震等级与上部结构必须一致, 以基础底板作为嵌固端不会造成地下室结构造价的提高, 反而可能取得较好的经济效益。

即使单层地下室底板是以桩为基础的普通梁板结构, 一般情况下仍然取底板处为结构嵌固端, 唯一例外的是地下室作为抗爆级别较高的防空地下室时, 其顶板通常具有作为结构嵌固端的刚度, 因此可取其作为上部结构的嵌固端。

2. 投影面积比例

高层塔楼在地下室顶板上的投影面积比例大小对首层作为嵌固端的结构有着不同的影响。当该比例*1时, 若首层楼面符合作为嵌固端的其它条件, 则该首层作为结构嵌固端就毫无疑问了, 但当上述投影面积比例<<1时, 说明地下室侧限远离塔楼, 塔楼发生的侧向位移将波及首层楼面并使其发生变形, 即使变形量很小, 但严格说来首层作为嵌固端的刚度必然小于前一种情况, 且变形又增大了上部结构侧移的计算值, 同时首层骨架构件也会由于自身的变形而产生附加内力。作为有经验的结构工程师, 在实际设计中都会根据工程实际情况予以鉴别并作出相应的结构处理。

3. 大底盘多塔楼

大底盘多塔楼大多为商住楼, 而且由于商用及居住性质不同, 对柱网的要求也不同, 故通常需设置结构转换层。

当大底盘的商用部分层数不多 (如仅1—2层) , 且结构转换层设于大底盘的屋顶标高处时, 塔楼的嵌固端就可考虑取在大底盘的屋顶处, 至少在塔楼初算时可以如此假定, 如图3所示。

这一考虑基于以下两点:1既然属大底盘, 其楼层面积肯定大于塔楼的投影面积, 加上大底盘屋顶设置转换层, 故大底盘的楼层平面刚度远大于塔楼的楼层刚度;2转换层之上通常为剪力墙、部分短肢剪力墙或异形柱一短肢剪力墙结构, 为使转换层上下部的侧向刚度相近, 大底盘部分肯定要将原位剪力墙增厚或增加新的剪力墙, 从而使塔楼下的大底盘部分具有足够的侧向刚度。目前高层建筑结构计算软件的功能已较为完善, 因此大底盘多塔楼建筑均以整体结构进行计算, 其嵌固端也不像结构初算阶段选择在大底盘屋顶标高处。

4. 高层建筑的基础埋深

在研究探讨高层建筑的结构嵌固端时, 必然牵涉到其基础埋深问题, 高层建筑基础要具有一定的埋置深度, 首先是为了保证结构的整体稳定 (包括抗滑) , 其次有利于减弱地震反应。规范对高层建筑的基础埋深有一量化规定, 即“天然地基或复合地基基础, 可取H/15, 桩基础可取H/18”, 但这一规定仅与建筑物的总高H有关, 而与其它因素无关。

但我们在认真思考后发现基础埋深除了与建筑物总高H有关外, 还应与控制高层建筑体型重要指标的高宽比H/B有关。如两栋建筑物的高度量相同, 但其高宽比H/B分别为5.0和2.5, 显然H/B值较小者整体稳定性更高, 若采用相同的基础形式, 则阶B值较大者其基础埋深应更大。换言之, 基础埋深对H/B较大者应偏于严格, 而对H/B较小者则可略为放松, 不宜作相同处理甚至反其道而行之, 否则就违背了基础需一定埋深的原则。除了高宽外, 基础埋深还应与高层建筑的裙房底座宽度、地下室底盘宽度等因素有关, 对地下室面积仅为塔楼投影面积者应偏于严格, 相反对没有裙房或地下室面积大于塔楼投影面积者则可略为放松。

5. 首层楼面的活载

作为结构嵌固端的首层楼面 (地下室顶板) , 其正常使用时的活载一般不太大, 即使作为商业用途, 其活载也仅为3.5k N/m2, 但设计中要考虑施工过程中可能产生的施工荷载, 对于首层梁板构件取活载8.0—10.0k N/m2则往往是必要的。

当高层建筑主体结构建至2层楼面时, 首层地面自然而然就成为理想的施工场所, 或用于堆放材料 (袋装水泥、砌块、搭架钢脚手架等) , 或用于钢筋加工, 甚至作为载重汽车的行驶停放场等, 即使是临时荷载, 其楼面活载也就有必要取较高值 (该活载值仅作用于该层梁板, 并不需传给竖向构件的墙柱) 。

此外, 该层楼板配置通长面筋, 不仅是出于增大刚度的考虑, 而且是抵抗混凝土收缩和温度应力的需要, 特别是由于开发商的原因可能导致地下室顶板完成后要裸露一段时间 (从几个月到几年不等) , 为了防止或减少由于暴晒或暴露时间过长而产生的裂缝, 配置足够的楼板面筋尤为必要。

首层楼面考虑较大的施工荷载, 其梁板截面就需较大, 有利于满足首层楼面作为结构嵌固端刚度要较大的要求。

摘要：正确选取其结构嵌固端, 是高层建筑结构计算模式中的一个重要假定, 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, 因此有必要对结构嵌固端的选取作进一步探讨, 并由此引伸出若干相关的技术问题。

关于结构的嵌固端的一些理解 篇4

近年来，随着国民经济的高速发展和城市化进程的不断加快，加上土地资源日益紧缺，各种形式和功能的高层及超高层建筑不断涌现，同时使建筑物不断地向高空和地下延伸。由此使得带有地下商场、地下车库及人防工程等带地下室的高层结构得到广泛应用。而提到带地下室的高层建筑，就必然涉及到一个问题———嵌固端。

提到嵌固端的问题，首先就要清楚嵌固端的概念。力学理论上的嵌固端，可以理解为“固定端”，指的是结构构件在该位置既无平动又无转动。而在工程应用中的嵌固部位即嵌固端所在的位置，则是指塑性铰预期出现的部位。确定嵌固部位就是通过刚度和承载力调整迫使塑性铰在预期部位出现。塑性铰是一种特殊的铰，它不像可以转动不承受弯矩的一般的铰，而是能承受某些方向的弯矩，这是它区别于一般铰最本质的特征。塑性铰并不是某个集中的点，而是一个区域，这个区域可以承受很大的局部变形;塑性铰只能沿弯矩作用的方向产生一定限度的转动，而理想铰不承受弯矩，可以自由转动;塑性铰是在结构构件的钢筋屈服后形成的，构件的截面能承受一定的弯矩，而转动能力则受到构件的截面大小、受力钢筋的配筋率、钢筋种类和混凝土极限压应变等因素的限制。综上所述，嵌固端是可以人为干预的。这一点，在常用的结构设计计算软件中，是有相应的参数来体现的，如图1所示。

1 相关研究成果

胡庆昌的理论研究表明，带地下室的高层结构的抗震设计应同时兼顾上部结构、基础和地基的协同作用，并且给出了近似估算地下室外挡墙的土动压力的方法[1]。沈朝勇将带地下室的高层结构，按1∶25的比例制成试验模型，进行振动台试验。试验结果表明，在地震的作用下，地基回填土对地下室的约束作用能比较有效地减小结构的水平位移;另外，用有限元软件对振动台试验进行数值模拟建模时，采用非线性弹簧元来模拟地基回填土的水平约束作用，得到的计算结果与试验结果基本吻合[2]。张维斌结合工程实践，给出了在工程设计中关于嵌固部位的确定的合理化建议[3]。

由于带地下室高层结构嵌固端的位置与地基回填土的约束作用有关，因此合理考虑地基回填土的约束作用对于保证结构计算的准确性具有重要意义[1,4]。在高层结构分析中，假设嵌固端位于室外地坪时，若回填土的约束作用并不是很强，则可能导致实际产生的位移远大于计算值，由此便会导致设计成果不够安全。若取地下室底板为嵌固部位，且不考虑回填土的约束作用，这样的设计结果固然偏安全，但是会造成不必要的浪费，使得设计结果不经济。

如何正确反映回填土对地下室的约束作用，是一个十分复杂的问题，也是一项十分困难的工作，影响地下室约束作用的因素很多，其约束作用的大小更是不易观测。在常用的结构设计计算软件中，要求输入“回填土的约束刚度与地下室本身抗侧移刚度的比值”。若此参数取0，表示不考虑回填土的约束刚度，若取5.0或者更大，表示完全嵌固，这是两个极端，在工程实际情况中介于这二者之间，因此对一般工程，通常的做法是取相对刚度比为3.0。

2 不同建筑形式嵌固部位的选取[3]

1)不设地下室的建筑:

a．基础埋深较浅时，取基础顶作为上部结构的嵌固部位。

b．基础埋深较深时:当建筑为剪力墙或砌体结构时，若结构设置有刚性地坪，可取室外地坪下50 cm处作为上部结构的嵌固部位;当建筑为框架结构，基础形式为柱下独基，且基础埋深较深时，可按规范要求做成高杯口基础，此时可将高杯口基础顶作为上部结构的嵌固部位。

这里有一个问题需要指出，不带地下室的框架结构采用独立基础时，若基础埋置较深，通常设计时会在正负零处设置地梁层，如果将地梁层作为结构的嵌固部位是不妥的。因为地梁层的作用只是将框架柱的底层一分为二，使底层框架柱的配筋较为经济合理，该层并不设置中间的次梁以及楼板，平面刚度较小，故仍应将基础顶面选取为结构的嵌固部位。

2)仅设1层地下室的建筑:

a．当高层建筑仅设单层地下室且地下室的底板是筏板时，通常选择地下室底板(即基础顶板)而非地下室顶板作为结构嵌固端。因为通常认为筏板基础是“无限刚”的，这样做可以充分利用这一点，即使是首层楼面开大洞，或者选用刚度较小的无梁楼盖结构，都不会影响结构计算的准确性，而且有利于首层建筑结构的灵活布置。

b．当地下室为箱形基础，则选择箱形基础的顶板作为结构的嵌固部位。

c．当地下室全部为人防地下室时，则可以取人防地下室的顶板作为上部结构的嵌固部位，因为人防地下室的墙体及顶板通常具有较大的刚度，能够满足作为结构嵌固端的刚度要求。

3)设有多层地下室的建筑:宜将上部结构的嵌固部位设在地下室顶板。但是如果由于地下室顶板标高比室内正负零低得较多、地下室顶板大面积开洞、地下1层的墙体较少等原因，不能满足关于地下室顶板作为结构嵌固部位的要求时，可按下列情况改变结构的嵌固部位:

a．对于3层或3层以上的地下室，可将地下1层的底板作为嵌固部位，且该部位同样应满足规范对于地下室顶板作为嵌固端时的要求，另外还应满足下列要求:地下1层的楼层剪切刚度应大于地上1层的楼层剪切刚度;地下2层的楼层剪切刚度应大于地下1层的楼层剪切刚度，并应大于地上1层的楼层剪切刚度的两倍。

b．如果地下2层为箱形基础或者全部为人防地下室，则箱形基础或者人防地下室的顶板可以作为结构的嵌固部位。

3 嵌固端的规范条文

根据《抗震规范》第6.1.3条，当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下1层的抗震等级应与上部结构相同，地下1层以下抗震构造措施的抗震等级可逐层降低一级，但不应低于四级。地下室中无上部结构的部分，抗震构造措施的抗震等级可根据具体情况采用三级或更低等级。

《抗震规范》第6.1.14条，地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，应符合下列要求:

1)地下室顶板应避免开设大洞口;地下室在地上结构相关范围内的顶板应采用现浇梁板结构，相关范围以外的地下室顶板宜采用现浇梁板结构;其楼板厚度不宜小于180 mm，混凝土强度等级不宜小于C30，应采用双层双向配筋，且每个方向的配筋率不宜小于0.25%。

2)结构地上1层的侧向刚度，不宜大于相关范围地下1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。

3)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:

a．地下1层柱截面每侧纵向钢筋不应小于地上1层柱对应纵向钢筋的1.1倍，且地下1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1层柱下端实配的抗震受弯承载力的1.3倍。

b．地下1层梁刚度较大时，柱截面每侧的纵向钢筋面积应大于地上1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。

由上面的内容可以看出，结构嵌固端多位于地面、地下室顶板以及基础顶面处。要成为上部结构的嵌固端，其下部结构必须具有足够的刚度以保证柱根之间不产生相对位移，且能承受或平衡柱根弯矩。规范中，对于嵌固端位于地下室顶板处时所应满足的各种条件，均是为了保证嵌固部位及其以下结构的刚度。而规范中，并未对嵌固端位于基础顶面时，所应满足哪些抗震构造措施做出规定。个人认为，当嵌固端位于基础顶面时，无论是整体基础还是独立基础，相对于基础以上的结构构件，其刚度比较大。

无论将嵌固端选在什么位置，相应的位置均需满足刚度要求以及抗震构造的相关要求。在设计过程中，通常是将嵌固端定义在地下室顶板处，如果计算结果中，嵌固部位上下的刚度比可以满足规范要求，则按计算结果以及规范中关于嵌固部位处的抗震构造措施进行后续设计即可。而如果计算结果中，嵌固部位上下的刚度比不能满足规范要求，则需将嵌固部位修改为地下室底板或基础顶面等位置，然后再进行计算，直至各种指标均满足规范要求。

对于大底盘的多塔或者单塔建筑来说，当地下室顶板作为上部结构的嵌固端时，大底盘结构中的单塔或者多塔在进行结构抗震性能设计时，可以简化地按不含地下室的单塔模型进行分析设计。而若地下室底板或者基础顶面为结构的嵌固端时，则宜将塔楼和大底盘共同进行计算分析，以便更符合实际情况。

4 结语

对于嵌固部位的选择，在高层结构设计中是一个很重要的问题，涉及到高层计算中刚度比等重要指标的控制，以及抗震构造的要求等问题。因此，嵌固端的理解以及嵌固部位的合理选取对于结构设计是具有非常重要的实践意义的。本文只是从理论以及工程实际应用的角度谈了一些理解。关于嵌固端部位的选取尚可通过物理实验以及数值模拟的手段，进行进一步的研究，以期得到更准确，更具综合价值的结果。

参考文献

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[2]沈朝勇,周福霖,黄襄云.高层结构考虑土与地下室相互作用的振动台试验和理论分析[J].地震工程与工程振动,2007,27(6):148-153.

[3]张维斌.对确定结构底部嵌固部位的一点看法[J].建筑结构,2006(B03):56-57.

[4]吴祖根.地基土水平抗力比例系数的试验确定[J].市政技术,2008,29(1):60-62.

[5]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

建筑结构嵌固端的确定 篇5

高层建筑结构在地震作用下的破坏机理十分复杂,建筑物质量分布变化,结构刚度计算的局限性,边界条件假定的正确程度对其振动效应都有一定影响。因此,关于高层结构的安全性能等也提出了更多的要求。高层建筑往往带有地下室,有些甚至带几层地下室。从建筑功能来说,可利用地下室作为地下停车库、设备用房等;从结构功能来说,设置了地下室可以增加基础埋深,对于增加结构整体稳定性和提高抗倾覆性能是有利的。因此,带地下室高层结构嵌固端的选取至关重要。

GB 50011-2001建筑抗震设计规范(2008年版)(以下简称“抗规”)第6.1.14条、JGJ 3-2002高层建筑混凝土结构技术规程(以下简称“高规”)第5.3.7条都规定,当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时,地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。

结构计算中,嵌固端的选择是伴随着高层建筑的出现而产生的。国内外已有一些研究,并积累和总结了一定的经验,尤其是在采用箱形基础的高层建筑方面。由于箱形基础的刚度较之地上1层的刚度偏大不少,嵌固端通常选择在箱形基础的顶面(一般为±0.000左右的位置),这样上部结构的计算结果较为合理但对于采用筏板基础的高层建筑,嵌固端的选择却不尽人意。早期的设计计算中,通常将嵌固端选在筏板顶面,后来则选在自然地面标高位置。上述两种选取方法都乏善可陈:将嵌固端选在筏板的顶面,即采用地下室和上部结构一次计算的方法,若不对计算程序或参数进行修改,其结果与实际情况会有较大误差;将嵌固端选在室外地坪,其假定就是采用筏板基础的地下室刚度无限大(相对于地上首层),即假定结构在此位置上水平位移、竖向位移及转角为零,而这与实际情况也并不相符。

下面通过一个工程算例来分析带地下室且为筏板基础高层建筑嵌固端的选择。

2 工程算例

2.1 基本数据

本工程项目为广西某地的住宅楼。该单体地面以上32层,设1层地下室,32层以上为机房层和水箱层,基础形式为筏板基础。建筑结构安全等级为二级;地下室防水等级为二级;抗震设防烈度为6度,抗震设防类别为丙类,场地类别为Ⅱ类;结构形式为剪力墙结构。基本风压为0.40 kN/m2。

地下1层～第4层剪力墙混凝土等级为C50,梁板混凝土等级为C40,5层剪力墙混凝土等级为C45,6层～10层混凝土强度等级为C40,其他各层剪力墙混凝土强度等级为C30,其他各层梁板的混凝土强度等级为C25。

2.2 计算方法

采用中国建筑科学研究院SATWE软件进行分析计算,分别以地下室顶板和筏板基础顶面为嵌固端,建立了两个模型,见图1。

2.3 SATWE计算结果

SATWE计算结果见表1。

从表1计算结果可知,当取地下室为计算模型底层时,计算高度增加使得风载比实际情况有所加大,而又没有考虑地下土体对地下室的侧面嵌固作用,导致结构的位移增大,结构的自振周期偏长的计算结果,同时结构构件柱和剪力墙的内力都有所增大;取建筑1层作为计算模型底层时,结构的计算高度为地面以上实际高度,因而风荷载与实际情况较符合,但由于将地下室近似于刚度无限大,相当于水平位移和竖向位移均被完全嵌固,导致结构的刚度有所增加,从而与实际情况有所差异,其计算结果表现为位移偏小,周期偏短的特征,由于地下室结构的位移被忽略,结构构件的内力也有所减小,导致结构的安全性有所下降。

然而,两种情况计算结果对于本工程算例的计算结果影响较小,主要原因是剪力墙结构为弯曲型变形,上部抗侧力构件的地震剪力主要通过地下室墙体直接来承担和传递,这时地下室顶板的分散和传递作用较小,即地下室顶板厚度对于地下室顶板嵌固没有显著的影响。

3 地下室抗震设计

常规房屋结构抗震计算一般采用刚性地基模型,将地面振动激励作为结构底部嵌固支座的扰动,这种模型对于没有地下室的多层结构而言是比较合适的。高层建筑往往带有地下室,由于地基和结构的相互作用,结构的地震反应与刚性地基模型的假定有所不同。由地下室质量引起的地震作用主要被室外的回填土吸收,只有一小部分由地下室本身的构件承担。

根据“抗规”第6.1.3条,当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时,地下1层的抗震等级应与上部结构相同,地下1层以下的抗震等级可根据具体情况采用三级或更低等级,地下室中无上部结构的部分,可根据具体情况采用三级或更低等级。

4 结论和建议

本文通过对有无地下室结构的抗震性能进行分析研究,确定了带地下室情况高层结构的嵌固端选取的合理位置。可以得到以下结论和建议:

1)当高层建筑仅设单层地下室且底板采用筏板基础时,通常选择基础底板而非首层作为结构嵌固端,这有利于充分利用其基础的“无限”刚度,为首层楼面的灵活结构选型创造条件,即使是首层楼面留有大孔洞,或选用无梁楼盖结构,都不影响结构计算的准确性。

2)“抗规”6.1.14规定:地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时应避免在地下室顶板开设大洞口,并应采用现浇梁板结构,其楼板厚度不宜小于180 mm,混凝土强度等级不宜小于C30。钢筋混凝土剪力墙结构上部抗侧力构件的地震剪力主要通过地下室墙体直接来承担和传递,地下室顶板的分散和传递作用较小,顶板的厚度主要由其所承受的竖向荷载控制,建议可适当放宽限制,根据工程实际情况选取地下室顶板厚度。

3)本文未涉及对于带多层地下室的高层建筑,拟在今后做进一步研究分析。

参考文献

[1]GB 50011-2001,建筑抗震设计规范(2008年版)[S].

[2]JGJ 3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]董文旭.高层建筑嵌固端的确定探讨[J].建筑设计,2005(3):16-17.

[4]李云贵.上部结构与地下室共同工作分析及地下室设计在SATWE中的实现[J].建筑结构学报,2005(2):23-24.

建筑结构嵌固端的确定 篇6

在高层建筑的结构设计中, 如果该高层建筑刚好拥有两层地下室, 那么地下一层顶板处或者地下一层底板处, 甚至是基础顶处都有可能是嵌固部位比较恰当的设置部位。

建筑规范里面有明确规定, 当下一层顶板用作上部结构的嵌固位置时, 必须具备的条件是: (1) 《高层建筑混凝土结构技术规程》第5.3.7条规定:高层建筑结构整体计算中, 当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时, 地下一层与首层侧向刚度比不宜小于2。《建筑抗震设计规范》6.1.14条第2款规定:结构地上一层的侧向刚度, 不宜大于相关范围地下一层侧向刚度的0.5倍。《建筑地基基础设计规范》第8.4.25条第一款规定:当地下一层顶板作为上部结构嵌固部位时, 地下一层的结构侧向刚度大于或等于与其相连的上部结构底层楼层侧向刚度的1.5倍。当结构地下一层与地上一层的侧向刚度比值无法达到两倍的时候, 就可以依照1.5倍去实施。所以, 对于地下一层侧向刚度与地上一层楼层侧向刚度的比值, 各规范中的规定稍有不同。 (2) 为了确保在上部结构的地震作用或者水平方向上的力能够转移到地下室抗侧力构件当中, 地下室的墙面边缘的板面, 其中包含内墙和外墙边缘板面都不可以出现较大的洞口。 (3) 地下一层梁在建设时, 如果其刚度比较大, 柱截面每一个面上的纵向钢筋面积不应小于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍; (4) 每侧纵向钢筋在地下一层柱截面中, 应至少大于地上一层柱对应竖向钢筋的1.1倍, 且地下一层柱上端节点和节点两边梁端实配的抗震受弯承载力之和不应小于地上一层柱下端实配的抗震受弯承载力的1.3倍。 (5) 楼面的施工过程中应该加大钢筋的使用量, 应采用双层双向配筋, 且每层每个方向的钢筋搭配率必须控制在0.25%以上。地下一层的结构顶板不能采用普通的楼盖, 应采用梁板式楼盖, 楼盖使用板材的厚度应控制在不应小于180mm, 混凝土的强度不能太低, 其强度等级必须保持在C30以上。同时梁端顶面和底面的竖向钢筋面积的大小一定要比在运算过程中求出的面积还要增大10%以上。

如果把嵌固端设置在地下一层底板处, 需要同时满足以下条件: (1) 地下二层顶板的开洞限制、板厚、板的混凝土强度等级、板、梁、柱、墙的配筋等各项要求均与地下一层顶板作为嵌固部位时的要求相同。在基础顶设置嵌固端时, 楼层侧向刚度只要达到普通楼层侧向刚度的要求就够了。 (2) 地下一层楼层的侧向刚度需要比地上一层楼层的侧向刚度更大;地下二层的楼层侧向刚度需要比地下一层的楼层的侧向刚度更大, 地下二层楼层的侧向刚度应保持在地上一层楼层侧向刚度的2倍 (或1.5倍) 以上。 (《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.5.2规定:剪力墙结构中本层与其相邻上层的比值不宜小于0.9。嵌固端选取在不同的位置, 不仅影响嵌固端相邻上下层计算及配筋构造, 还将影响到整个结构体系的计算及配筋要求。框架结构中楼层与相邻上层的比值应保持在0.7以上, 与相邻上部三层刚度平均值的比值应保持在0.8以上。) 。在地震作用计算中, 对于嵌固端以下的部位是不计入地震作用计算的。

2 工程具体情况

在本文研究的工程对象中, 该工程地下一共有两层, 地上一共有18层, 结构总高度是56.122m的剪力墙结构, 室内与室外的高度之差有0.45m。如表1可以将其具体结构展现出来。

该工程中, 墙柱在第七层到第十七层时, 强度等级为C30, 墙柱在第四层到第六层之间时, 其强度等级为C35, 当墙柱在第负二层到第三层之间时, 其强度等级达到了C40。该工程中, 当梁板在第七到十七层之间时, 强度等级是C30, 当梁板在第负二层到第六层之间时, 其强度等级达到C35 (见表2) 。

我们从表2中可以看到, 地上一层与地下一层的层高之间只相差了0.68m, 相差非常小, 要想将地下一层的抗侧刚度提高, 必须增加地下室剪力墙的强肢数, 或者增加剪力墙墙肢的长度来实现, 或者也可以将地上一层楼层抗侧刚度减少, 这两种办法都是将地下一层的抗侧刚度进行提高的有效办法。然而, 由于在本工程中, 受到结构整体需要的限制, 将地上一层楼层刚度减小是不可能的, 那么, 唯一能采取的办法只有第一种, 也就是增加地下室剪力墙的强肢数, 或者增加剪力墙墙肢的长度。由于地下室二层层高为4.400m, 地下一层层高是5.150m, 可知, 结构嵌固侧向刚度达不到要求, 我们可以通过增加剪力墙的方式来达到结构嵌固侧向刚度的要求, 由于在该工程中, 地下二层需要设立众多私家车车位, 因此, 这种嵌固方法也是不适用的。如果把嵌固端设立在基础顶上, 那么, 就无需改变楼层的侧向刚度, 只需要将其刚度保持在普通楼层的侧向刚度范围就够了。基于以上原因, 相对于地上的部分, 地下室不必另外增加剪力墙。

为科学计算出最佳的嵌固方式, 此处利用PKPM进行计算分析, 结果如表3显示:

从表3中可以看出, 嵌固于地下一层顶板处时, 用钢量为37.56kg/m2,

底层地震剪力为15445k N, 嵌固于基础顶时, 用钢量为38.02kg/m2, 底层地震剪力为16292 (k N) , 无论从节约钢材方面考虑, 还是从底层地震剪力大小方面考虑, 嵌固于地下一层顶板处用钢量都更少, 且底层地震剪力都会更小, 因此, 我们应该优先选择嵌固端位于地下一层顶板处的嵌固方法。

3 总结

当嵌固端为位置越是靠近建筑的下端, 地震对其造成的影响就会越大, 因为建筑结构的底部所受到的地震剪力也随之增大。嵌固端的选择关系到建筑结构的安全程度, 也会影响到钢材的用量, 在实际建筑结构中, 并非钢材选用得越多, 建筑结构就越安全, 还需要通过精确的计算, 求出嵌固端的合理位置。

摘要：为了在实际操作过程中选取嵌固端的合理位置, 满足经济性效果的实现, 本文结合某实际工程运用PKPM结构设计分析软件进行列表分析, 研究嵌固端处在不同位置对结构地震计算及工程用钢量的不同影响。

关键词：用钢量,剪力墙,嵌固端,地震剪力

参考文献

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