带地下室高层结构嵌固端相关问题研究

张朝云

（重庆市设计院，重庆 400015）

带地下室高层结构嵌固端相关问题研究

张朝云

（重庆市设计院，重庆 400015）

该文针对我国现行规范对带地下室高层结构嵌固端的相关规定，运用了计算模型和算例分析的方法，通过对地震作用下的动力特性、变形特性和内力特性等方面的比较，分别探讨了剪切型和弯曲型高层建筑结构地下室顶板作为上部结构嵌固端的判定条件。

高层结构；剪切型；弯曲型；嵌固端；侧向刚度

0 引言

高层结构在进行结构分析计算之前必须先确定结构嵌固端的所在位置，正确选取其结构嵌固端，是高层建筑结构计算模式中的一个重要假定[1]。特别是对于带地下室高层结构嵌固端选取至关重要。

在现行国家规范 《高层建筑混凝土结构技术规程》（简称《高规》）JGJ3—2010[2]中第5.3.7条规定：“高层建筑结构计算中，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”。而在《建筑抗震设计规范》（简称《抗震规范》）GB50011—2010[3]中第6.1.14条规定：“地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，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”。

根据对比《抗震规范》，《高规》以及上海市规范《建筑抗震设计规程》（简称《上海市抗规》）DGJ08-9-2013[4]三本规范的相关内容，除地下室顶板厚度，混凝土等级及柱配筋率等规定一致外，规范关于刚度比计算方法及范围等内容还有一些不一致的地方，列表叙述如表1所示。

从上述条文分析可知，规范对于剪切型，弯曲型以及剪弯型结构不同的受力特性下，嵌固点是否应区别对待，未给出相应的阐述，且对于带大底盘地下室结构嵌固端的刚度计算方式及范围有一定的冲突。因此本文选择工程设计中最典型的剪切型和弯曲型高层结构为例，对规范关于结构嵌固端选择的相关规定做进一步的研究和探讨。

表1 规范关于嵌固规定对照表

1 剪切型高层建筑嵌固端选择算例分析

1.1 概述

对于嵌固层上下刚度比的计算方法，原有 《抗震规范》GB50011—2008要求采用剪切刚度进行计算，现有《抗震规范》GB50011-2010[3]对此条进行了删除。但根据“高规”的说明，初算时可以采用剪切刚度。

而按照《高规》[2]第3.5.2条规定，结构侧向刚度应根据框架结构和其他结构，分别计算结构刚度。

对于框架结构，可取地震作用下的层剪力与层间位移之比：

其中Vi为层i的地震剪力标准值，△ui为i层地震剪力标准值作用下的层间位移。

对框架-剪力墙，板柱-剪力墙结构，剪力墙结构，框架-核心筒结构，筒中筒结构，刚度比应考虑层高的修正作用，即：

其中hi为层i的层高[5]。

根据相关分析资料可知，采用结构剪切刚度进行结构动力分析存在一定的误差，故此本文拟采用有限元分析软件首先对剪切刚度计算方法做进一步的分析，计算软件采用SAP2000。

1.2 算例分析

本节利用SAP2000有限元分析计算软件建立带地下室的结构分析模型，建立两种模型进行对比分析，第一种模型为简化模型，即力学分析中常见的葫芦串模型；第二种模型为普通结构三维模型[6-7]。本计算抗震设防烈度均取7度（0.10g），地震分组为第一组，场地土类别II类，其余参数根据实际工程计算进行确定，在此不一一列述。梁、柱的混凝土强度等级及柱截面尺寸根据地下室结构层与上部结构层侧向刚度比进行调整。葫芦串模型及三维模型标准层示意图如图1。

图1 层模型及三维杆系模型示意图

如前所述，框架结构剪切刚度主要由柱截面和混凝土等级控制。根据分析，可以通过调整混凝土弹性模量及框架柱大小调整地下室侧向刚度。根据初算，地下室剪切刚度比取0.9～4.3均匀取值。分析数据结果整理如图2、图3。

图2 结构顶点位移误差值图

图3 结构自振周期误差值图

本节中定义误差为：误差k＝（地下室不嵌固模型参数a-地下室嵌固模型参数b）/地下室嵌固模型参数b。由图示，结构底部刚度在逐步增大的过程中，误差变化的趋势是逐步变小。在当刚度比大于2～2.5时，曲线逐步变得平缓，误差绝对值约为4%左右。根据相关工作经验可得，这种误差率是处于工程允许的误差范围之内的。

根据分析可得，当地下室侧向刚度与相邻结构层侧向刚度比大于2时，结构的动力特性和变形特性的误差值均较小，下面将研究不同刚度比对结构的内力性能的影响。随机选取图中地上一层柱进行内力分析，中柱和边柱各一根，编号分别为C19及C26。分析数据结果整理如图4、图5。

综上所述，对于剪切型高层结构，当下部结构楼层侧向刚度与相邻上部楼层侧向刚度的比值逐步增大时，整体结构的动力性能，变形性能以及受力性能所产生的误差值均逐步较小。当刚度比大于2时，其误差值均小于10%，大部分计算结果误差率小于5%，处于结构工程设计允许的误差范围之内，即可认为此时可把地下室顶板作为上部结构嵌固部位计算。

2 弯曲型高层建筑嵌固端选择算例分析

2.1 概述

该工程项目坐落于南宁市西乡塘区,为广西建设职业技术学院职工住宅楼。该工程地面以上为32层，地下设一层地下室。32层以上为电梯机房层和水箱层。基础形式为筏板基础。

本结构建筑安全等级为二级；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。

标准层结构平面布置图6。

图6 标准层结构平面布置图

本算例采用中国建筑科学研究院SATWE软件进行分析计算，分别计算以基础顶面和地下室顶板为固定端两种情况。笔者建立了2个模型：

模型一：地下室顶板为嵌固点，嵌固点以上独立分析；

模型二：高层结构带一层地下室，嵌固点为地下室底板。

2.2 SATWE计算结果（如表2）

表2 有无地下室SATWE计算结果比较

有无地下室情况下结构的侧移刚度表3所示，由于数据较多，本文仅列出了上、中、下三个典型部位的侧移刚度进行比较。

表3 有无地下室情况下结构侧移刚度对比表

根据以上分析可得，如果按模型二计算，结构计算高度增加，如果不考虑土体对地下室的相对作用，则计算结果和实际情况会有所偏差，计算出的结构自振周期比实际的长，结构的内力也比实际情况有所增大。采用模型一计算，结构的计算高度和风荷载计算与实际情况比较相似，但是因为把地下室考虑成刚度无限大，在实际工程受力中，特别是弯曲型结构受力中，地下室特别是多层地下室，结构弯曲可以通过地下室构件进行有效的传递，故此种情况与实际受力也不完全一致。按此种情况计算的结构受力，可能比实际情况的小，造成结构不安全。

但是，总体来说，模型一与模型二的计算结果对于该工程的计算结果影响较小，主要原因是该工程为剪力墙结构，剪力墙结构为弯曲型变形，上部抗侧力结构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很小，甚至可以不考虑。即地下室顶板厚度对于地下室的嵌固影响较小[8]。

故对于弯曲型高层结构，嵌固点的选择应主要加强下部剪力墙的配筋和构造，同时地下室应为全地下室，对结构底盘形成有效的嵌固，这样才能保证地震力及其他水平力的有效传递，使嵌固层塑性铰出现在概念设计对应的位置。

3 结论

针对我国现行规范对带地下室高层建筑结构嵌固端的相关规定，本文分别以剪切型高层和弯曲型结构高层为例，分别运用了动力分析和算例分析的方法，对《抗震规范》和《高规》的相关规定的合理性和不足之处进行了相应的分析和研究，得出了以下几点结论：

（1）对于剪切型高层结构，当地下室结构的楼层侧向刚度大于相邻上部楼层侧向刚度的2倍时，可以将地下室顶板作为上部结构的嵌固端；

（2）对于弯曲型高层结构，地下室顶板厚度对结构嵌固影响较小，应加强嵌固点下部的剪力墙配筋及构造。

当然，除了以上几点结论以外，本文还有一些值得深入研究的地方，如本文未对弯剪型结构嵌固端的选择进行相关分析，以及对大底盘地下室侧向刚度计算范围进行分析等，在后续工作中应对此进行相应的分析及补充。

[1]张朝云.带地下室高层建筑结构嵌固端的选择及相关问题研究[C].重庆：重庆大学硕士论文，2008，4.

[2]住房和城乡建设部.JGJ3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3]住房和城乡建设部.GB50011—2010建筑结构抗震规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4]上海市城乡建设和交通委员会.DGJ08-9-2013建筑抗震设计规程：上海市工程建设规范[S].上海市建筑建材业市场管理总站，2013.

[5]赵兵，陈萱.SATWE软件如何计算刚度比[J].建筑结构，2005，35(12)：79-82.

[6]程志辉，张俊胜.带地下室高层结构的动力计算模型[J].华南理工大学学报：自然科学版，2005，33(6)：89-93.

[7]李桂青.抗震结构计算理论和方法[M].北京:地震出版社,1985：44-68．

[8]潘近乐.设计中高层带地下室结构嵌固端的合理选取[J].中国建筑金属结构， 2013（04）.

Reseach on The Position of Fixity of TallBuilding Structures with Basements

Necessary requirements to definition of the fixity of tall Building in the Code for seismic design of buildings and Technical specification for concrete structuresof tall building,it takes theway of analysing dynam ic calculatingmodelsand typicalstructure example to compare in several aspects such as dynamic character,deformation character and stress character,as to obtain the conditions for taking the top-floor of basementas the fixed of the tallbuilding.

tallbuilding;shear;bending;position of fixity;rigidity

TU31

A

1671-9107（2014）05-0054-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.05.054

2013-11-26

张朝云（1981-），男，重庆人，研究生，工程师，主要从事钢筋混凝土结构的设计研究。

孙苏，李红