高层嵌固部位浅析

摘要：随着我国社会的发展和国民经济的增长，高层建筑得到了迅速的发展，建筑高度不断的增加，建筑功能和类型日渐复杂和完善，使得结构类型和体系更加的多样化和复杂化，高层建筑结构分析计算也成为了结构设计工作的重点。本文首先论述了高层结构嵌固端的重要作用及其影响因素，基于此，深入分析了高层嵌固部位选取问题，以期为广大同行提供一些借鉴和参考。

关键词：高层建筑、嵌固部位、地下室

中图分类号： [TU208.3]文献标识码：A 文章编号：

一、前言

高层结构嵌固部位的选取作为地基和基础设计的重要环节，不仅仅对基础选型以及结构计算分析产生了重要的影响，而且还直接影响了整个建筑物结构分析计算的合理性和准确性，从而又影响了结构计算假定和计算模型选取的正确性。因此对高层建筑嵌固部位的选取进行研究是非常有必要的。

二、高层结构嵌固端的重要作用及其影响因素

1、高层结构嵌固端的重要作用

首先高层建筑结构嵌固端确定是通过刚度和承载力调整，迫使塑性铰在该预期部位出现，并且能够承载上部结构在该处屈服超强引起的极限弯矩和出现的塑性铰时的最大建立以及做到的轴向力。在我国高层建筑结构设计中，选取合理的嵌固端对于保证地基基础的承载力、刚度和有足够的抗滑动、抗转动能力，使得整个高层建筑结构是一个稳定的体系，防止产生过大的差异沉降和倾覆有重要的作用。

2、选取结构嵌固端的主要影响因素

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，嵌固端的选取不仅仅是确定计算模型的前提，也是高层建筑结构计算分析中的一个重要的假定。如果准备掌握选取结构嵌固端的主要影响因素，尽力确定结构嵌固部位，不仅仅关系到结构中某些构件内力分配的准确性，还影响到结构产生侧移的真实性。影响嵌固端选择的主要因素有：工程地质水文条件、基础埋置深度、基础结构形式、有无地下室、首层楼面活荷载等

三、高层嵌固部位选取分析

1、上部结构嵌固部位的确定

地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，《抗震规范》第6.1.14条提出下列基本要求：

（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180mm（有绿化要求的板厚不宜小于250mm），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，地下室周边已有与其顶板相连的抗震墙。

对于大底盘多塔楼结构，其中的每一栋塔楼“相关范围”内的侧向刚度比要满足要求。，对于大底盘单塔楼，“相关范围”内的侧向刚度比也要满足要求。其中“相关范围”指从地上结构（主楼、有裙房是含裙房）周边外延不大于20m。同时还应注意地下室结构的侧向刚度指其结构自身刚度，在确定上部结构嵌固部位时，楼层的侧向刚度比的计算中不考虑土对地下室外墙的约束作用。事实上，回填土对地下室结构的约束作用很大，一般情况下可按地下室结构自身刚度的3~5倍近似考虑，因此，地下室结构与周围回填土的总刚度要比地下室结构的自身刚度大许多，当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，包括地下室结构自身及回填土影响的地下室总侧向刚度为上部结构的4.5倍以上；而当地下室顶板不能作为上部结构的嵌固部位时，包括地下室结构自身及回填土约束的地下室总侧向刚度，一般情况下也不会小于上部结构的3倍。因此地下室顶板处对上部结构的嵌固作用是客观存在的，是否作为上部结构的嵌固部位，考察的只不过是这种嵌固作用的强弱问题，无论地下室顶板是否作为上部结构的嵌固部位，结构设计中均应考虑地下室顶板处实际存在的嵌固作用，采取相应的加强措施。

2、当地下室顶板可以作为上部结构的嵌固部位时

当地下室顶板可以作为上部结构的嵌固部位时，应满足《抗震规范》第6.1.14条的要求：

（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180mm（有绿化要求的板厚不宜小于250mm），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）地下室顶板那对应于地上框架柱的梁柱节点除应满足抗震计算要求外，尚应满足下列规定之一，

其一，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。

其二，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。

（3）地下一层抗震墙墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积，不应少于地上一层对应墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积。

3、当地下室顶板不可以作为上部结构嵌固部位时：

建议地下室顶板、梁、柱、墙等仍应满足《抗震规范》第6.1.14条的要求,因为无论地下室顶板是否作为上部结构的嵌固部位，地下室顶板都有实际存在的嵌固作用。

（1）对于大底盘单塔楼结构，当地下室顶板不可以作为上部结构嵌固部位时：a当为一层地下室时，嵌固部位取在基础顶部，b当为多层地下室时，可按刚度比来确定嵌固部位，如地下二层刚度与首层（即地上一层）刚度比大于2时，可认为地下二层板顶为嵌固部位，地下二层的结构构件要满足嵌固部位的要求，但对于地下一层的结构构件（板、梁、柱、墙等）有条件时也满足嵌固部位的要求。必要时对首层及地下一层的抗侧力构件采取包络设计方法。

（2）对于大底盘多塔楼结构，当地下室顶板不可以作为上部结构嵌固部位时，则工程就属于《高规》规定的大底盘多塔楼复杂高层的结构，应按《高规》第10.6节的规定设计。

4、高层建筑无地下室嵌固部位选取问题

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、高层嵌固部位相关技术问题分析

1、基础形式影响问题

基础形式对上部结构嵌固端的确定有一定影响。当高层建筑仅设单层地下室且采用筏形基础时，通常宜选择地下室底板而非顶板作为结构嵌固端，这种做法对首层楼面结构选型的灵活性很有利，即使地下室顶板采用无梁楼盖体系或开设大孔洞，均不影响结构分析的准确性。此外，《高规》第 3.9.5 条规定，地下一层相关范围的抗震等级应按上部结构采用，因此以地下室底板作为结构的嵌固端不会增加地下室的结构造价。对于人防地下室，其顶板通常具有作为结构嵌固端的刚度，可将地下室顶板作为上部结构的嵌固端。

2、基础埋深问题

《高规》第 12.1.8条对高层建筑基础埋深有明确要求，“天然地基或复合地基，可取房屋高度的 1/15；桩基础，不计桩长，可取房屋高度的 1/18”，“在确定埋置深度时，应综合考虑建筑物的高度、体型、地基土质、抗震设防烈度等因素”。当两栋建筑物的高度相同时，高宽比较大者整体稳定性相对较差，对其基础埋深应偏于严格，反之，高宽比较小者的基础埋深应略微放松。

除上述两点外，在工程设计中，高层建筑往往难以满足《高规》第 12.2.1 条的规定，因此当高层建筑采用多层地下室时，通常将上部结构的嵌固部位设计在地下二层顶板，即地下一层底板处，其目的是要使嵌固部位具有更大刚度，能更有效地起到整体抗侧约束作用，而且，由于增加了一层的计算高度，加大了地震作用效应，提高了设计安全储备。当地下一层楼层剪切刚度大于地上一层楼层剪切刚度，地下二层结构的楼层侧向刚度不宜小于地下一层楼层侧向刚度的 2 倍时（即相应由地下室顶板改为地下一层），即可认为上部结构的嵌固端在地下二层顶板处。

五、结语

综上所述，高层建筑结构嵌固端的选取是建筑物设计的关键内容，做好这项设计工作，对于建筑物的安全性、可靠性性和抗震性具有十分重要的作用，我们必须要引起高度重视。

参考文献：

中华人民共和国行业标准：《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）

中华人民共和国国家标准：《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）

庞莹：《高层建筑体型设计与抗震性能研究初探》，《山西建筑》， 2010年06期

张元坤：《高层建筑结构嵌固端的选取及相关技术问题》，《广东土木与建筑》，2004年02期