高层结构嵌固端的选择与抗震性能分析

常丽华

1 概述

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。

表1 两模型SATWE计算结果比较

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。

[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.

[5] 蔡晓宏.地下室设计中的几个问题[J].工程建设与档案，2004(4):116-117.