高層建筑結構嵌固端相關問題探析

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1、高層建筑結構嵌固端相關問題探析　　摘要：嵌固端是高層建筑結構分析時一個重要的概念。文章就嵌固端確定的意義及地下室頂板不能作為嵌固端時結構的相關構造措施進行了探討，給出了一些有益的結論，可供結構工程師設計時參考。關鍵詞：高層建筑；地下室頂板；嵌固端；構造措施中圖分類號：TU97文獻標識碼：A文章編號：0前言高層建筑結構在建模分析時，有一系列的計算假定，而嵌固端是其中一個非常重要的計算假定。合理確定嵌固端的位置，是結構內(nèi)力計算準確性和結構側移真實性的重要保證。所謂嵌固，從力學概念來講是指嵌固位置處所有自由度均被完全約束，等同于力學概念中的固定約束。而我們在實際工程中的嵌固，都只是相對的，并不存

2、在完全的嵌固。工程中的嵌固是指建筑結構的地下部分及室外回填土的約束強度達到能夠限制結構水平位移及繞豎軸轉動的程度。前者一般稱為力學嵌固，后者則稱為強度嵌固。我國現(xiàn)行規(guī)范所指的高層結構地下室嵌固是指強度嵌固而非力學嵌固。6高層建筑由于結構的復雜性，例如底部大底盤多塔結構，地下室局部大錯層結構等等使得嵌固端的確定及其相應位置的構造問題一直是結構設計分析中的熱點問題，本文擬就高層建筑工程設計實踐中與嵌固端相關的幾個問題做以探討。1確定嵌固端的意義高層建筑一般都帶有一層或多層地下室，在建模分析時存在要不要建地下室，該建幾層的問題。嵌固端的位置決定了整體建模分析時需要與上部結構整體建模的最少的地下室

3、的層數(shù)。帶地下室高層建筑結構設計時，一般有分離式模型和整體式模型兩種模型可供選擇。當采用分離式模型時，可以以確定的嵌固端位置將結構分為兩個獨立的模型，分別進行計算分析和設計，這種模型在帶大底盤地下室的多塔結構設計中經(jīng)常采用。而整體式模型則是無論嵌固端位置位于何處均將所有地下室連同上部結構一起建模分析。因為實際工程的上下部結構的變形是協(xié)調(diào)的，而且整體式模型可以考慮地下室外圍回填土對結構的實際約束作用。所以一般來說采用整體式建模能夠獲得更加真實的結構位移場和內(nèi)力，工程設計實踐中帶地下室高層建筑結構建模分析時也大多都采用整體式模型。6我國高層建筑結構設計實踐中最常采用的結構設計軟件是中國建筑科學

4、研究院PKPM系列軟件的SATWE空間分析軟件，最新版是2010版。該軟件提供了嵌固端所在層號的參數(shù)用于考慮嵌固端的作用。但是細心的工程師應該早已發(fā)現(xiàn)當采用整體式建模時，這個參數(shù)的不同，一般情況下對內(nèi)力計算結果幾乎沒有任何影響。那么，工程師不禁會問在設計中我們確定嵌固端位置的意義何在？查看SATWE軟件說明書可以知道，嵌固端的位置需要人為判斷，程序只按照指定的嵌固端位置調(diào)整相關位置處的內(nèi)力或者確定相關的構造措施。從中可以看出，確定了嵌固端的位置，其實主要是確定了該位置處的一系列構造措施，例如剪力墻底部加強部位的高度；嵌固位置處的強梁弱柱及嵌固層樓面的各種構造要求等等。也就是說工程師要自己根

5、據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和已有的工程經(jīng)驗來判斷嵌固端的位置，如果已經(jīng)選定了嵌固端，該位置處就應該按照規(guī)范要求采取各種構造措施，創(chuàng)造條件，使得該位置在地震作用下能真正起到對上部結構的嵌固作用，包括破壞時嵌固位置處塑性鉸出現(xiàn)在柱根部及可靠地傳遞水平地震作用等。2地下室頂板不能作為嵌固端時的設計問題我國現(xiàn)行結構設計相關規(guī)范《建筑抗震設計規(guī)范》、《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》等，均有關于地下室頂板作為上部結構嵌固部位時的結構構造措施及要求，但當?shù)叵率翼敯宀粷M足作為上部結構嵌固端的要求時嵌固端的選取及地下室頂板應該采取的結構措施等都沒有相關規(guī)定。6國內(nèi)許多學者就此問題的研究集中在當?shù)叵率翼敯宀粷M足嵌固要求時，嵌固

6、位置如何確定。例如有文獻認為當僅設單層地下室且基礎采用天然地基筏板基礎或樁筏基礎時，應該選擇基礎底板作為結構嵌固端。這樣設置的原因是有利于充分利用基礎的“無限”剛度，為首層樓面的靈活結構選型創(chuàng)造條件，且即使首層樓面留有大孔洞或選用無梁樓蓋結構，都不影響結構計算的準確性。此外，還由于規(guī)范規(guī)定地下室負—層的抗震等級與上部結構必須—致，以基礎底板作為嵌固端不會提高地下室結構造價，可取得較好的經(jīng)濟效益。只有當?shù)叵率易鳛榭贡墑e較高的人防地下室時，通常選取頂板處作為嵌固端才是經(jīng)濟的[1]。以上觀點從經(jīng)濟角度緊扣規(guī)范去理解嵌固端的選取和構造有其合理的成分，但是也容易給設計人員造成一個誤解，就是當嵌固端

7、不選擇在地下室頂板時，地下室頂板的構造就可以按照普通樓層進行處理，不再受規(guī)范構造要求的限制。6其實不然，事實上地下室周圍的回填土對地下室結構的約束作用很大，通常其約束作用相當于地下室結構自身剛度的3~5倍。所以，當?shù)叵率覄偠葷M足規(guī)范要求的的不小于首層剛度的兩倍的條件時，包括地下室自身剛度在內(nèi)的地下室實際剛度能夠達到上部結構的4.5倍以上；而即使地下室剛度不滿足規(guī)范規(guī)定的條件，地下室頂板不能作為上部結構嵌固端時，包括地下室