浅谈高层建筑结构设计中地下室嵌固作用

摘要：高层建筑地下室嵌固作用的确定对结构设计有很大的影响,因此正确选取结构嵌固端并对其在结构和构造方面采取合理的措施,是结构设计中的一个重要环节。本文主要介绍关于高层建筑结构设计中地下室嵌固作用的思考。

关键词： 高层建筑； 地下室； 嵌固作用

中图分类号： TU97 文献标识码： A 文章编号：

引言

高层建筑在进行结构分析计算之前必须首先确定结构嵌固端的所在位置，而嵌固端的选取却面临着各种不同情况，如不设地下室但基础埋深较大。地下室设计的合理与否将直接影响高层建筑的正常使用与造价。

1、结构嵌固端的条件

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。

1．1 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（应为无）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”（此条，《抗震》2010版已改为：“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。”）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。

1．2 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(承台)梁加以连结，故首层层高应从基础(承台)顶面算起；

(2)若基础(承台) 顶面标高与首层标高有一定距离而不设基础梁(承台)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。

2、设置有地下室的高层建筑的嵌固位置

钢筋混凝土高层建筑在进行结构分析之前，必须首先确定结构嵌固端所在位置，其直接关系到计算模型与实际受力状态的符合程度。目前实际工程中大多数单塔或多塔高层建筑都带有面积较大的地下室以及层数不多的裙房，而且裙房可能相连形成大底盘。《建筑抗震设计规范》规定高层建筑地下室在满足一定条件下，地下室顶板可以作为上部结构的嵌固端。在确定带地下室的高层建筑嵌固位置时需要特殊注意以下几点：

(1) 地下一层结构的楼层侧向刚度应不小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。结构层侧向刚度可近似按等效剪切刚度计算，即：

式中，G0、G1分别为地下一层及地上一层的混凝土剪切模量；Ao、A1分别为地下～层及地上一层竖向结构构件的总折算受剪面积；Aw为沿计算方向地上一层或地下室范围地下一层的抗震墙全部有效截面面积；Ac为地下一层或地上一层全部柱截面面积；ho、h1分别为地下一层及地上一层的层高。注意对“侧向刚度的2倍”的要求可以理解为有效数字满足2倍，即地下室结构的楼层侧向刚度不小于相邻上部楼层侧向刚度的2倍。还要注意的是“地下室结构的楼层侧向刚度”指结构自身刚度，不考虑土对地下室外墙的约束作用。

(2) “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，且每层每个方向配筋率不宜小于0.25％”。对楼盖结构形式、楼板厚度以及配筋提出详细要求。相对梁板结构而言，无梁楼盖结构平面外刚度较小，难以符合刚性楼板假定的基本要求，因此，作为上部结构嵌固部位的地下室顶板，主楼范围以及与之相连裙房地下室顶板的相关范围应采用现浇梁板结构，无地上结构的地下室顶板其它位置可采用无梁楼盖结构。对于地下室形成大底盘结构而言，其中的“相关范围”指距主楼两跨且不小于20m范围（《高规》2010版3.9.5条条文说明“相关范围”一般指主楼周边外延1~2跨的地下室范围，并无20的说法）。其具体范围见图1。

图1 大底盘结构嵌固位置楼盖体要求（什么叫“楼盖体”）

(3) 计算多塔大底盘地下室结构楼层剪切刚度比时，大底盘地下室的整体刚度与所有塔楼的总体刚度比应满足上述(1)中刚度比的要求，而且每栋塔楼范围内(塔楼周边向外扩出与地下室高度相等的水平长度)的地下室剪切刚度与相邻上部结构塔楼剪切刚度的剪切刚度比不宜小于1.5。（引自哪里）

(4) 单层地下室建筑宜选择基础底板作为结构嵌固端。选择基础底板作为结构嵌固端，可以充分利用基础的“无限刚”的假定，也为首层楼面的灵活造型创造条件；即使是首层楼面有大开洞，或者选用无梁楼盖，都不影响计算的准确性，但是地下室作为抗爆级别较高的防空地下室时，其顶板与墙体通常具有作为结构嵌固端的刚度，此时可取其作为上部结构的嵌固端。

(5) 当不能满足嵌固在地下室顶板的要求时，可按嵌固在基础顶部设计。B级高度高层建筑不宜嵌固在基础顶部。而且在设计地下室结构时不考虑地下室结构水平地震作用降低系数。

3、结构软件对地下室结构的处理方法

在实际工程设计中，经常运用SATWE有限元软件进行结构计算，主要可采用以下三种方法考虑嵌固端的选取问题：以地下室底板作为嵌固端，取相对刚度比为0．这种方法没有考虑地下土体对地下室的侧面嵌固作用，增加了结构的计算高度，计算模型与实际情况有所误差，一般都不采用。取地下室底板作为嵌固端，取相对刚度比为2～4，一般取3。这种方法对地下室外的土压力有一定的考虑，但是由于土堆地下室的约束作用的影响因素十分复杂，难以确定具体约束作用的大小，这种方法虽不够精确，但是相比前一种方法稍好，也是目前工程界应用最多的方法。

取地下室嵌固端在地下室顶板处，地下室结构与上部结构分开计算，或者整体计算，但是相对刚度比取5或者更大。这种方法地下室相对于水平位移和竖向位移完全被嵌固，导致结构的刚度有所增加，从而与实际情况有所差异。式计算结果相对误差较小，说明此时地下室建模是否嵌固对结构性能计算结果影响不大，验证了规范规定当地下室侧向刚度与上部结构侧向刚度比大于2的条文规定。

随着地下室顶板厚度的增大，嵌固端选取在底部还是顶部两种模型内力误差值减小，然而由于两种模型质量和刚度上的差异，若要做到完全无误差，顶板需要达到面内面外完全无限刚度，在实际中是不可能的，所以规范建议板厚取l80mm以上，且需要注意柱内力的调整：同时规定顶板的开动率也是为了保证顶板具有一定的刚度。

4、结束语

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，这是结构设计人员不能忽视的重要环节。

参考文献

[1] 胡文湛：浅谈高层建筑结构分析与设计，《江西建材》，2006.1

[2] 易小军．高层建筑施工技术的探讨[J]．科技资讯，2009，（11）.

[3] 何登前．对高层建筑施工技术的探讨[J]．四川建材，2009，（6）.

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