谈合理选择建筑嵌固端的重要性和方案比较

李 国 威

(武汉凌豪工程设计咨询有限公司,湖北 武汉 430060)

谈合理选择建筑嵌固端的重要性和方案比较

李 国 威

(武汉凌豪工程设计咨询有限公司,湖北 武汉 430060)

从建筑的安全性、经济性、适用性等方面，阐述了合理选取嵌固端的重要性。通过具体工程项目的运用，提出了建筑嵌固端的常用选取方案并进行了分析比较，得出最优方案，从而解决了建筑安全性、经济性和适用性难以兼顾的难题，取得了满意的结果。

嵌固端，侧向刚度，安全性，经济性

0 引言

随着经济的发展，尤其是中心城市地区，高层建筑越来越多。这些高层往往都设计带有地下室，这样会带来很多好处。从经济性角度，现在中心地区土地供应受到政策限制，土地成本急剧增加，而高效的利用地下空间(如将停车库转入地下)，可以增加有效使用面积和空间，从而取得可观的经济效益。从安全性角度，高层建筑设置地下室，可以有效利用土的侧压力作用，提高结构的整体抗滑移和抗倾覆性能，有利于上部结构的整体稳定性。而且由于基础会有较深的埋置深度，可以减小地震作用影响。从适用性角度，高层建筑设置地下室可以显著减少地基的附加压力，进而减小建筑沉降，防止过大的沉降差给建筑使用功能带来影响。

由于高层建筑设置地下室的种种有利因素，建筑经常出现一个大地下室地盘上面几栋高层建筑的结构体系，结构形式较为复杂，而嵌固部位的确定对建筑的经济、抗震性能及结构合理性影响较大。所以嵌固端的合理选取显得尤为重要。

1 嵌固端的概念

高层建筑相当于竖向“超长”的悬臂结构，顶部为自由端，底部为固定端，也就是建筑结构设计里面的嵌固端的概念。顾名思义，从不同角度来讲，某处必须具备“固定端”相应的性能，才能被当作嵌固端。首先，从位移角度来说，不允许构件在此部位有任何位移。其次，从力学角度，嵌固端就是预期出现塑性铰的位置，而且能够承受建筑的最大极限弯矩和剪力的部位，因此须具备出众的刚度和强度。

2 规范对建筑嵌固端要求的相关条文规定

带地下室的建筑，一般嵌固端选取为基础顶或地下室顶板。其中基础顶一般假定为无限刚，满足作为嵌固端的要求。而当选取地下室顶板为嵌固端，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》12.2.1条的要求，须满足以下规定：

1)地下室顶板应避免开设大洞口，混凝土强度等级不宜低于C30，作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶楼盖应采用梁板结构，楼板厚度不宜小于180 mm，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%(高规3.2.2条、3.6.3条)。

2)高层建筑结构整体计算中，当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下1层与首层侧向刚度比不宜小于2(高规5.3.7条文解释：本条给出作为结构分析模型嵌固部位的刚度要求。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”一般指地上结构外扩不超过三跨的地下室范围)。

3)地下有多层地下室(如图1所示)，嵌固端要求如下:

a.如采用地下2层顶板为嵌固端时，地下2层对首层的侧向刚度比K-2/K1不小于2；且地下2层对地下1层的K-2/K-1不应小于1。b.如采用地下1层顶板为嵌固端时，地下1层对首层的侧向刚度比K-1/K1不小于2；且地下2层对地下1层的K-2/K-1不应小于0.7。

4)地下1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1层对应墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积。

5)地下室顶板与室外地面的高差小于地下室层高的1/3，且不大于1.0 m。地下室要满足上述条件才能确定为嵌固端，如不满足上述条件时，一般应把嵌固端设为基础顶。

3 正确且合理的选取地下室嵌固端的重要性

3.1 安全性方面

由于汶川地震后，结构设计规范通过重新整核后新发行了一套结构设计规范，在现行规范中，对地下室嵌固端的要求较严。结构嵌固端位置的确定对结构计算结果的真实性和准确性至关重要，如果错误的定义了结构的嵌固端，将会在模型计算中造成计算结果失真，从而在设计中留下安全隐患。尤其对于地下室层数较多的建筑，错误的定义嵌固端，有可能使得地下室楼层结构的抗震等级选取错误，从而选用与实际情况不对应的抗震措施，产生安全隐患或提高建筑成本。

3.2 经济性方面

高层建筑嵌固端选取不同的位置，将影响地下室楼层的抗震等级、抗震措施的适用性，进而直接影响柱、梁、板的断面尺寸和配筋要求，最终对经济性产生影响。对带地下室的高层建筑，一般嵌固端选取为基础顶或地下室顶板。当嵌固端选取位置为地下室顶板时，可充分利用地下室结构的侧向刚度以及周围覆土对建筑的约束作用，降低地震作用对地下室楼层的影响，从而节约成本。但与此同时，有时为了满足规范对于嵌固端的构造要求，需增设墙体、增加墙厚，地下室顶板最小厚度和配筋率都需相应增加，从而增加造价和成本。

3.3 适用性方面

嵌固端选取位置不同，可能会对建筑的使用功能产生影响，进而影响结构的适用性。比如，当嵌固端选取位置为地下室顶板时，一方面，有时为了满足规范对于地下室顶板嵌固端的要求，须增设墙体以达到刚度要求，且顶板开洞也受到较为严格的限制，如此一来对建筑空间的布局有较大的影响，可能影响建筑的某些使用功能。另一方面，对于带大底盘的高层建筑，主楼周围相关区域的梁板结构加强，有利于抑制主楼与大底盘之间的沉降，避免结构因沉降而产生裂缝，进而防止地下室渗水而破坏建筑的使用功能。

4 合理选择建筑嵌固端

某项目为一个带有大底盘地下室的单栋高层建筑，层数为30层，主楼范围内建筑要求如下：层高均为2.9 m，地下室层高为5.4 m。由于层高相差较大，地下室顶板处上下楼层刚度比难以达到嵌固端要求。根据实际情况，提出三种确定嵌固端的结构方案并进行计算比较：

方案一：嵌固端设置在基础顶。此种情况，将地下室和上部结构“一视同仁”，均为基础嵌固端以上的上部结构。首先，由于基础顶面视为无限刚，可以不用太受限于嵌固端侧向刚度比值的要求，使得建筑空间要求可以尽量得以满足，建筑功能适应性更好。其次，由于地下室顶板上覆土和行车荷载均较大，计算所需的板厚均较大；地下室顶板靠近主楼的相关范围，受主楼传来的荷载影响较大，梁柱构件尺寸均明显较大；为了抑制主楼与大底盘之间的沉降，避免结构因沉降而产生裂缝，主楼周围一定范围内的地下室顶板均需要人为加强，如此一来，顶板处各种加强，已经比较接近嵌固端的部分要求，如果不加以利用，从经济性角度来说是不可取的。

方案二：嵌固端设置在地下室顶板。为了满足规范对嵌固端上下楼层侧向刚度比的要求，在主楼地下室相关范围内增设剪力墙。此时地下室增设剪力墙较多，使用功能受到较大限制，极大地影响了建筑的使用功能。

方案三：嵌固端设置在地下室顶板，同时在主楼范围内增设夹层。主楼范围内的夹层，既能充当设备夹层，也能使主楼地下室的计算层高减小，在少量增设剪力墙的情况下，便可使侧向刚度大幅提高，满足规范对于嵌固端刚度比的要求。同时，地下室增设剪力墙较少，也使得地下车库使用功能比较灵活。虽然增设设备夹层时所设的剪力墙所产生的混凝土量、含钢量略为增加，但大大的解决了地下室使用功能及设备管道安装问题，有相当好的适用性。综合比较，方案一经济性不明显，仅仅在建筑功能适用性方面比较占优。方案二经济性不错，但是结构适用性很差，严重影响建筑的使用功能。方案三在经济性和适用性上，表现都相当不错，综合考虑，是性价比最高的。另外，本人认为，为了保证建筑的地基稳定性，《建筑地基基础设计规范》5.1.4条对建筑的基础埋置深度做了要求，而主楼地下室部分周围没有覆土，约束较差，而采取增设夹层，大大提高了地下室的刚度和整体性，使得稳定性能明显提高。因此，参建各方综合考虑，认为方案三为最优方案，取得了各方的一致认同。

[1] JGJ 3—2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

[3] GB 50007—2011,建筑地基基础设计规范[S].

Onimportanceofreasonableselectionforconstrainedendofbuildingsandschemecomparison

LiGuowei

(WuhanLinghaoEngineeringDesignConsultancyCo.,Ltd,Wuhan430060,China)

From the safety, economy and adaptability of the buildings, the paper illustrates the importance for the reasonable selection for the constrained end, points out the common selection schemes for the architectural constrained ends with the application of the engineering programs, undertakes the analysis and comparison, and concludes the optimal scheme, so as to solve the difficulties in the architectural safety, economy and adaptability, so as to achieve satisfactory results.

constrained end, lateral stiffness, safety, economy

TU974

：A

1009-6825(2017)24-0048-02

2017-06-14

李国威(1990- ),男,助理工程师