结构不等高嵌固工程计算分析

摘要：在工程抗震设计中,上部结构嵌固位置的确定是设计的出发点,而同一结构单元的不等高嵌固问题长期困扰设计人员。针对极为少见而又颇具代表性的工程实例,通过概念分析和不同计算的比较,对目前电算方法的合理性进行了有效判别,并提出了明确的设计建议。

关键词：不等高嵌固；抗震设计；倾斜地平线

中图分类号：TU973文献标识码： A

一、工程概况

宅区总建筑面积约8万平方米,地处山地,地面标高介于1 970.63～2 044.58m之间,相对高差73.95m。场地类别为Ⅱ类,抗震设防烈度为8度(0.2g)，地震分组为第二组,抗震设防类别为丙类。数段长条形的建筑顺山就势,由坡脚向坡顶延伸,造成结构的连续不等高嵌固,其嵌固高度的差异远大于建筑自身高度。

二、结构分析

2. 1基本认识

初步设计采用SATWE程序进行常规计算，在初步设计审查中，其计算成果的合理性受到专家质疑，甲方随即委托专业咨询公司进行结构技术优化。而对这样的一个结构单元，上下部分的嵌固位置高差近20m，而户型是类似叠加别墅洋房类。有意见认为该结构竖向刚度极不连续，结构最大高度大于28m,应该按复杂高层建筑处理，甲方感到难以接受。设置多条防震缝是另一思路，这样可以减少每个结构单元内的嵌固位置高度的变化幅度和数量，有利于在一定程度上简化模型。但在该项目中，每一台层的宽度较小，设缝在建筑和结构两方都会带来较多的问题。咨询过程中提出这样一个指导性结构模型:倾斜的地平线结构模型。该模型得到大多数专家的认同，即从本质上该项目应该仅仅是一个低层建筑，一个条件特殊的低层建筑，不解决这个问题，难免就会如初步设计一样，出现“3层的建筑、9层的模型”、“低层的建筑、高层的模型”，设计成果失真。类似结构还存在其他技术难点，如整体稳定问题、基础与挡墙的关系、挡墙与主体结构的关系等，均需要仔细处理。以下主要研究其上部结构的计算模型及不同分析手段与实际状况的吻合程度。

2. 2整体建模反应谱分析

分别采用SATWE和ETABS程序独立建模并进行反应谱分析，为保证对比的有效性，主要计算参数和构件尺寸均保持一致。

2. 3整体建模时程分析

采用ETABS进行了时程分析，输入调幅后的三条地震波(两条天然地震波，一条人工地震波)，天然波取自II类场地上的实际记录。分析得到的楼层地震剪力和最大层间位移角结果。分析可得，结果普遍比反应谱法计算结果偏小一些，采用反应谱法进行设计可以保证安全。

2. 4单元建模分析

随后对结构模型进行人工干预，在保证边界荷载基本正确的前提下，以各部分交叉投影范围最小为原则，把建筑分为三个独立的结构单元，即层6 ~8，层3~5，层1 ~2三部分，连接部位仅传递部分荷载，分别用ETABS和SATWE进行计算比较。鉴于结构形式较特殊，也为了充分对比，同样进行了地震反应谱分析和时程分析。由此可见，对于相对较规则的结构即层6 ~8，单独建模不存在不等高嵌固的问题，两者计算结果相近。对于不规则结构，层3 ~5单独建模存在不等高嵌固的问题，层5的计算结果相近，层3, 4计算结果差异较大，且变化趋势与整体建模分析相同;层1, 2单独建模也存在不等高嵌固的问题，层2的计算结果相近，层1计算结果差异较大，且变化趋势与整体建模分析相同。因为单独建模时层数较少，所以差异相对整体建模时变小。三个单元的单体模型分析结果反映出同样的特点，即SATWE和ETABS程序计算结果很接近，而一旦出现类似不等高嵌固的竖向构件不连续的问题，两者的差别就很大，且越到下部楼层差异程度就越大。

三、“分别结算，嵌固清零”分析方法

考虑到此类结构在计算分析上的复杂性，建议采用“分别结算，嵌固清零”的分析方法，即以各部分交叉投影范围最小为原则，将结构整体模型拆分为若干独立的结构单元，分别计算。为对该方法有更直观的理解，引入“相关单元”和“相关构件”的概念:整个结构系统由不同的、可以人为划分的结构单元组成，各单元并不是相互独立的，当结构系统中的一个或多个单元失效后，其他单元仍能正常或部分工作。其中，一个单元失效后能诱发其他单元失效或部分退出工作的，该失效单元即为其诱发失效或部分退出工作单元的相关单元;同理，一个单元由若干不同构件组成，一个构件与其他构件相连接或作为其他构件的支承构件时，一旦构件失效或部分退出工作，对与其相连接的构件或支承其上的构件造成不利影响，严重的会一起失效，该构件即为这些构件的相关构件。

从宏观角度来看，一旦单元3失效，势必会对单元1, 2造成影响，甚至会造成连续性倒塌，单元3即为单元1, 2的相关单元。单元2的失效会对单元1, 3造成影响，甚至会造成单元1倒塌失效或部分退出工作，单元2即为单元1, 3的相关单元。单元1失效会对单元2造成很大影响，但对单元3的影响相对较小，就认为单元1不是单元3的相关单元。两个单元或两个构件间隔越远，相互间的影响也就越小。单元1不是单元3的相关单元，其竖向投影也与单元3没有相交，就将单元1中已经落地的柱承担的地震力清零，认为其对单元3产生的影响很小，不再向单元3传递地震力。

尤其是对于单元2, 3，其与整体模型计算结果的变化趋于一致，说明“分别结算，嵌固清零”分析方法对于退台结构是合理有效的。依此类推，如果将单元1 ―3进一步划分为若干小的结构单元，会得到类似的更为直观的结果。且随着退台数的增加，落地柱数量的增多，上部退台对底层结构单元的影响也会越来越小。对于各结构单元中不同标高、不同坐标的柱构件之间的相互作用，该分析方法也同样适用。

四、结论

通过结构概念性的分析和不同设计方法的计算比较，针对类似连续不等高嵌固工程，提出以下建议:

(1)对结构基本模型的理解，可以借鉴“倾斜的地平线”这一概念，合理认识结构复杂程度。

(2)有效的嵌固位置应该是一个计算分析中的结构作用归零点，不再向下部可能存在的结构传递和转移，建议对类似于文中的不等高嵌固结构采用“分别结算，嵌固清零”的分析方法。

(3) 部分常用电算程序难以处理类似问题，计算结果失真，建议合理选择分析软件，如ETABS等。

(4)有意见认为类似特殊结构会在计算中表现为反常的扭转，这一观点还需要进一步深入研究。

(5)此类连续不等高嵌固的工程须慎重考虑基础、挡墙设计，包括可能对上部结构产生的不利影响。

参考文献

[1]南乡,郑毅敏.影响结构特性的地下室有效范围研究[J]. 建筑结构. 2009(S1)

[2]黄鹏飞.关于刚性地面和底层层高的探讨[J]. 陕西建筑. 2010(05)