基于高层建筑浅谈嵌固部位设计要点
2014-10-21马伟
马伟
青海建筑勘察设计研究院有限公司 青海西宁 810001
摘要:本文以高层建筑嵌固为例,首先介绍了高层建筑嵌固部位在设计中的选取,同时重点阐述了嵌固部位设计要点,以确保建筑物的质量。
关键词:高层建筑;嵌固部位;设计要点
1、高层建筑嵌固的含义概述
1.1 计算嵌固端(计算模型的嵌固端或力学嵌固端或刚度嵌固端)
1.2 抗震嵌固端(预期塑性铰出现的部分或强度嵌固端)其实这两个嵌固端之间没有直接联系,而是指的一个事物的三方面,刚度、强度及延性。
高层建筑地下室结构的抗震设计,多数高层建筑都带有面积较大的地下室,大底盘上有高层建筑,有层数不多的裙房,也可能只有地下室无地上建筑,一般地下室周边的挡土,在平面内有很大的刚度,墙外土体对地下室有很强的约束,包括前方被动土压力及侧面土摩擦力,限制了侧向位移,导致高层建筑在地下室顶部产生刚度突变。在地震作用下,很有可能使高层建筑的塑性铰由基础顶部转移到地下室顶部以上。《规范》规定高层建筑地下室结构的刚度和承载力适当加强,可以考虑地下室顶部为上部结构的嵌固部位,所谓嵌固部位也就是预期塑性铰出现部位。确定嵌固部位就可以通过刚度和承载力调整迫使塑性铰在预期部位出现。
2、高层建筑嵌固部位的选取要点
2.1 带地下室高层建筑嵌固在地下室顶板部位的条件,满足以下条件可以做为上部结构嵌固部位。
①地下室层数不少于2层;
②地下室的楼层剪切刚度不小于相邻上部结构楼层剪切刚度的2倍。
GoAoh1
———≥2,Ao,A1︱=Aw-0.12Ac
G1A1ho
该公式中的Go,G1——地下一层及地上一层的混凝土剪变模量;
Ao,A1——地下一层及地上一层的折算受剪面积;
Aw——沿计算方向,抗震墙全部有效面积;
Ac——地上一层或地下一层的全部柱截面面积,当柱的截面宽度不小于300mm且长宽比不小于4时,可按抗震墙考虑。
计算多塔大底盘的地下室楼层剪切刚度比时,大底盘地下室的整体刚度与所有塔楼的总体刚度应满足上述公式的要求,每栋塔楼范围内的地下室剪切刚度与相邻上部塔楼的剪切刚度比不宜小于1.5。
当有地下室时。地下室侧壁要有很好的侧限,也就是与“地球”有很好的接壤。半地下室顶板处不能作为嵌固部位就是这个原因。实际工程中由于地形的影响,出现了错层,错层部位的基础部分水平构件和竖向构件应连成整体从而不考虑侧限问题。
③地下室顶板结构应设计成梁板结构体系(不能设计为无梁楼盖)。
2.2 当高层建筑无地下室时。①当基础埋置较浅时,无论采用天然地基基础还是桩基础,都是以基础(承台)顶面作为嵌固部位,而且在此标高处纵横两个方向应设刚度较大的梁连接,此时首层层高计算高度取至基础(承台)顶面。②当基础埋置较深时,通常在地面标高处设刚性地面作为结构嵌固部位,首层的计算高度取至刚性地面。基础(承台)顶面与地面之间高差较大时,如果首层计算高度还是取至基础(承台)顶面,这样层高过大,墙、柱截面相应也比较大,容易形成薄弱层,这样做既不经济也给结构带来了不利。
2.3 地下室一层顶板作为嵌固部位时。①地下室一层的抗震等级应与上部结构相同,地下室一层以下楼层结构的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。②地下室顶板应避免开设大洞口(地下室顶板必须具有足够的平面内刚度,以有效传递地震基底剪力)地下室在地上结构相关范围一般可从地上结构(主楼、有裙房时包括裙房)周边外延不大于20m的顶板应采用现浇梁板结构,相关范围以外的地下室宜采用现浇梁板结构;其楼板厚度不小于180mm,混凝土强度等级不宜小于C30,應采用双层双向配筋,且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。③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之和的1.3倍(用于框架结构)。特别注意当框架柱嵌固在地下室顶板时,位于地下室顶板的梁柱节点应按首层柱的下端为“弱柱”设计,即地震时首层柱底先屈服、出现塑性铰,但地下室一层对应的框架柱不应屈服。截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值,应根据轴力设计值、实配钢筋面积和材料强度标准值等确定。④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(用于剪力墙结构)。
3、高层建筑嵌固部位的设计要点
3.1 地下室顶板作为上部结构嵌固部位时,框架结构的地下室顶框架梁柱的抗弯刚度要足够大,保证首层柱的下端为“弱柱”设计,即地震时首层柱底屈服、出现塑性铰。为避免框架柱在嵌固部位过早屈服,影响结构的抗倾覆能力,地下室顶板及其下层竖向结构构件的设计应适当加强,以符合作为嵌固部位的要求。梁端截面实配的受弯承载力应根据实配钢筋面积(计入受压筋)和材料强度标准值等确定;柱端实配的受弯承载力应根据轴力设计值、实配钢筋面积和材料强度标准值等确定。①地下一层柱截面每侧的纵向钢筋面积除应符合计算要求外,还应比地上一层对应的柱大10%以上;地下一层梁端顶面和底面的纵向钢筋应比计算值增大10%采用;②地下一层柱每侧的纵向钢筋面积比地上一层对应的柱大10%以上,且地下室顶板梁柱节点左右梁端截面与下柱上端同一方向实配的受弯承载力之和不小于地上一层对应柱下端实配的受弯承载力的1.3倍。
3.2 地下室顶板作为上部结构嵌固部位时,剪力墙结构应控制在嵌固部位以上一定高度范围内发生屈服,出现塑性铰。这个高度范围作为底部加强部位,应加强抗震构造措施,提高其弹塑性变形能力,加大结构的抗倾覆能力。地下室与上部对应的剪力墙墙肢端部边缘构件的纵向钢筋截面面积不应小于地上一层对应的剪力墙墙肢边缘构件的纵向钢筋截面面积。当地下一层侧向刚度与地上一层侧向刚度比值满足地下室顶板作为上部结构嵌固部位的要求,但由于首层建筑功能的要求,地下室顶板开有大洞口时,地下室顶板不能作为结构嵌固部位,此时应下移嵌固部位位置。
3.3 当高层建筑仅设单层地下室时,结构设计者通常选择地下室底板作为结构嵌固部位。这是因为高层建筑地下室底板应进行防水设计,结构厚度不小于250mm,这样可以充分利用地下室底板和基础的刚度。不过,此时仍然建议在设计时,将顶板处按嵌固部位的要求进行处理,并采取相应的加强措施。因为结构在地震作用下,地下室很少发生严重破坏,基本都是上部结构发生破坏。选择地下室底板作为结构嵌固部位,由于降低了对地下室顶板的要求,首层楼面设置大孔洞,也不影响结构计算的准确性,可以满足首层建筑功能的灵活布置,反而可能取得较好的使用空间。此时,由于结构计算嵌固部位位于地下室底板,剪力墙底部加强部位宜向下延伸到计算嵌固部位,底部加強部位的高度仍从地下室顶板算起。以地下室底板作为嵌固部位不会造成地下室结构抗震等级的提高,不会带来经济效益的损失。
3.4 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,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。
4、结束语
由于各个单体工程建筑面积、建筑风格和建筑功能等的差异,结构要求是不同的,高层建筑结构嵌固部位的选取不是固定的。在高层建筑结构设计中,我们期望的是结构计算结果的准确性,结构计算分析的力学模型能较好的反映结构的实际情况。因此,在确定嵌固部位的位置后,结构设计中采取哪些措施,如何保证其成为真正的嵌固部位,是设计者应该不断探索的。
参考文献:
【1】JGJ3一2010高层建筑混凝土结构枝术规程,中国建筑工业出版社,2012
【2】GB50011一2010建筑杭震设计规范,中国建筑工业出版社,2010
【3】张维斌《对确定结构底部嵌固部位的一点看法》