多高层混凝土结构计算模型嵌固端的选取和设计探讨

成兑

摘要：建筑结构嵌固端位置的选取是非常重要的，而工程实践中嵌固端的选取是非常复杂的问题。建筑结构的嵌固端，是结构计算模型中的一个重要假定，它不仅关系到结构中构件内力分配的准确性，而且还影响结构产生侧移的真实性，以及结构局部的经济性。本文探讨了多高层建筑上部结构嵌固端的选取和设计，以求达到安全、经济的设计目标，并供设计同行参考。

关键词：地下室；上部结构；嵌固部位；相关范围

一、嵌固端的定义

作为上部建筑结构的嵌固部位，理论上应具备以下两个条件：（1）该部位的水平位移为零；（2）该部位的水平转角为零。其工作机理是：嵌固端节点下的梁柱（板）构件是不能产生转动的，嵌固端楼层平面内更不允许产生水平位移，地震作用下结构的屈服部位应发生在嵌固端之上楼层。

二、嵌固端的选取

对多高层混凝土结构的嵌固端的选取是比较复杂的，从实际工程上看，上部结构的嵌固部位是一个区域，而不是一个平面，只存在相对的嵌固，而没有绝对的嵌固。

多高层建筑不设置地下室时，上部结构通常以基础顶面作为嵌固端，此时的嵌固端即是结构的计算嵌固端也是抗震嵌固端。多高层建筑当设置地下室时，上部结构的计算嵌固端是选取在地下一层顶板部位还是选取在地下其他层顶板部位，或者选取在基础顶面，应由地下室结构相关范围内的楼层侧向刚度与相邻上部结构楼层的侧向刚度比、楼板开洞情况等条件确定。对于抗震嵌固端，根据资料和经验显示，设置地下室对结构抗震是有利的，上部结构大部分的地震水平剪力通过地下室各层楼板的水平传递，由地下室外墙的土压力平衡，使地下室中的结构竖向构件（框架柱、剪力墙）承担的水平地震剪力往地下逐层减少，同时，地下室挡土墙外侧的回填土对地下室结构的约束作用是相当大的，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，地下室顶板处对上部结构的嵌固作用是客观存在的，无论地下室顶板是否作为结构的计算嵌固端，地下室顶板都是结构的抗震嵌固端。计算嵌固端的选取只是人为对计算模型简化的一种处理方式，而实际地下室顶板作为结构的抗震嵌固端是不会因为人为计算的某种假定而改变的，因此，我们认为：对具有多层地下室的多结构以地下室顶板作为抗震嵌固端或计算嵌固端，这种处理方案是比较经济的。

三、地下室顶板作为嵌固端应满足的相关条件

当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，为避免塑性铰转移到地下一层结构，保证上部结构在地震作用下能实现预期的耗能机制，根据《高规》第5.3.7条规定：“高层建筑结构整体计算中，地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下一层与首层侧向刚度比不宜小于2”，其条文说明中对侧向刚度做了说明 ，“计算地下室结构楼层侧向刚度时，可考虑地上结构以外的地下室相关部位的结构，‘相关部位一般指地上结构外不大于20米且超过三跨的地下室范围。楼层侧向刚度比可按本规程附录E.0.1条公式计算”。

需值得一提的是，根据《地基规范》第8.4.25条对地下室顶板作为上部结构嵌固部位还应满足，“当地下室内、外墙与主体结构墙体之间的距离符合表8.4.25要求时，该范围内的地下室内、外墙可计入地下一层的结构侧向刚度，但此范围内的侧向刚度不能重叠使用于相邻建筑。当不符合上述要求时，建筑物的嵌固部位可设在筏形基础的顶面，此时宜考虑基侧土和基底土对地下室的抗力”。该条中地下室内外墙与主楼剪力墙的距离要求可以理解为地下室上部结构的相关范围，可将该范围的地下室内外墙的刚度计入地下室层间侧向刚度内，但范围内的侧向刚度不能重叠使用于相邻的建筑。

地下顶板作为上部结构嵌固端时，为使地下室顶板具有足够的平面内和平面外的刚度，限制构件在两个水平方向的平动位移和转角位移，并有效的将上部结构的水平地震剪力全部传给地下室结构，《抗规》第6.1.14条，从楼板开洞、楼盖混凝土强度等级、楼盖结构形式、楼板厚度、楼板配筋等全方位作了较为详细的规定：“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180 mm，混凝土强度等级不宜小于C30，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%”。考虑框架柱在一层的下柱端出现塑性铰而不是梁柱节点两侧的梁出现塑性铰，通常采用提高地下室顶板梁受弯承载力且增大地下室柱顶的承载力的方法来考虑柱底的嵌固。《抗规》第6.1.14条还规定：地下一层柱截面每侧的纵向钢筋面积除应符合计算要求以外，不应小于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍（地下室柱子多出的纵向钢筋不应向上延伸，应锚固于地下室顶板的框架梁内），且地下一层柱上端和节点左右两端实配的抗震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。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面积。

四、地下室顶板作为上部结构嵌固端的处理

地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，为满足嵌固刚度比的要求，通常在上部结构及地下室上部结构相关范围内增大竖向抗侧力构件的截面刚度，或增设一定数量的补偿剪力墙。增设的补偿剪力墙应结合地下室周边挡土墙均匀布置，使上部结构相关范围内地下室结构的刚度和质量中心与上部结构的刚度和质量中心基本重合，减小因偏心产生的扭转效应对结构产生的不利影响。

地下室顶板室外区域因场地绿化覆土或市政管线要求降低标高，导致地下室顶板不连续，不能有效的传递水平地震剪力，此时，地下室顶板不能成为有效的上部结构嵌固部位，为满足地下室顶板作为上部结构嵌固部位可采取以下措施：

当室内外高差不大于地下一层层高的1/3且小于1.0m时，对高低跨位置的梁采取加宽截面、增大箍筋直径、间距加密、楼板加腋等加强措施时（图1所示），可认为楼板连续，满足嵌固端对楼板的要求。

（1）当室内外高差大于地下一层层高的1/3且大于1.0m，但不大于2m时，可采用降低主楼内地面标高（增加主楼首层层高，室内采用回填轻质材料至建筑标高），使室内外高差满足不大于地下一层层高的1/3且小于1.0m。由于该做法增加了首层层高，上部结构的计算高度有所增加，对结构计算影响较大，且不经济，一般情况下不建议采用。实际工程中多采用加强高低跨位置处梁的同时，在高低跨位置处垂直于挡土墙的方向上，在主體结构内加腋和主体结构外加肋，并在肋上设连续斜板等措施（图2所示），采取措施后可认为楼板连续，满足嵌固端对楼板的要求。

（2）当室内外高差大于2m时，可采用设置一层架空层，将嵌固部位设置在地下室大底盘顶板上，使地下一层与架空层的侧向刚度比大于2。值得注意的是，由于地下室顶板室外覆土较高，为减小覆土对主体结构的约束作用带来的影响，可在上部结构以外单独设置挡土墙（图3所示），使之与主体结构脱开，这样处理后结构加强部位更为明确，计算也相对简单明了。

对于多层地下室，当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，除地下一层与首层侧向刚度比满足规范要求外，还应满足地下二层相关范围内的侧向刚度与地下一层侧向刚度的比值不宜小于1.0，不满足时，地下二层、三层相关范围也应增大其竖向抗侧力构件的截面刚度，或增设补偿剪力墙等技术措施。

五、地下室顶板不能作为上部结构嵌固端的处理

在实际工程中，由于地下室顶板室内外高差较大、地下室顶板存在大开洞、地下一层建筑使用功能的要求等，在负一层内不能布置补偿剪力墙，也不能增大其豎向抗侧力构件的截面刚度，地下室顶板作为结构嵌固端的刚度比不能满足要求时，对于多层地下室，可将结构的计算嵌固部位设置在地下一层底板或基础顶面，此时地下室顶板和地下一层楼板除宜同时执行抗震嵌固端的相关要求外，还应满足下列条件：

（1）地下一层楼层的侧向刚度比应大于地上一层的侧向刚度；

（2） 地下二层楼层的侧向刚度应大于地下一层的侧向刚度，并且大于地上一层的侧向刚度的2倍。

随着现代计算机技术的飞速发展，上部结构计算带入地下室与不带入地下室对计算分析工作量影响不大。因此，工程设计中在计算上部结构时，无论嵌固刚度比是否大于2，均应带入地下室相关模型，这样计算结果也是最为合理的，最符合实际情况的。但对于大型复杂综合体高层混凝土结构的嵌固端是极其复杂的，通常应采用不同的计算模型进行包络设计。

六、结束语

本文探讨了多高层建筑上部结构嵌固端的选取和设计。对上部结构嵌固部位提出了计算嵌固端和抗震嵌固端的概念，同时，还对地下室顶板作为上部结构嵌固端存在的问题提出了相应的处理措施，对地下室顶板不能作为上部结构嵌固端情况也提出了处理方法，以供设计同行参考。

参考文献：

[1]GB 50011-2010.建筑抗震设计规范 北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]JGJ 3-2010.高层建筑混凝土结构设计规程.北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]GB 50007-2011.建筑地基基础设计规范.北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4]张维斌.多层及高层钢筋混凝土结构设计释疑及工程实例.北京：中国建筑工业出版社，2005.

[5]朱炳寅.高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析.北京：中国建筑工业出版社，2013.