关于高层建筑结构设计中地下室嵌固作用的思考

2019-11-28卢世霞冯程程

建材发展导向 2019年3期

卢世霞冯程程

（1.山东华景联合建筑设计有限公司，山东青岛 266033；2.青岛集合工程设计咨询有限公司，山东青岛 266033）

1 对地下室嵌固作用的认识

嵌固层，是以一个坚硬、稳定，可以牢固握裹住上部结构的一个刚体，比如旗杆下面的台座。嵌固层的作用是能限制上部结构在水平方向的平动位移和转动位移，并能将上部结构的剪力全部或大部传递给下部结构，使上部结构竖向构件的塑性铰出现在竖向构件的根部，这就要求作为嵌固端的下部结构必须具有较大的侧向刚度，以保证事实嵌固端的形成。

1.1 嵌固水平位移法

嵌固水平位移法即通过考虑地下室水平位移的侧向嵌固来考虑回填土的约束作用。主要涉及到地下室结构与相邻上部结构楼层的侧向刚度比。侧向刚度的计算主要有三种方法：

（1）地震剪力与地震层间位移比。是一种与外力有关的计算方法，规范中规定的不仅包括了地震力产生的位移，还包括了用于该楼层的倾覆力矩产生的位移和由于下一层的楼层转动而引起的本层刚体转动位移。

（2）剪弯刚度。本质上就是单位力作用下的层间位移角，所以其刚度比也就是层间位移角之比。它虽然能同时考虑剪切变形和弯曲变形的影响，但并没有考虑上下层对本层的约束。

1.2 结构软件对地下室结构的处理方法

（1）以地下室底板作为嵌固端，取相对刚度比为0。这样的方式没有对地下土体对整个地下室侧面的嵌固作用的影响进行考虑，从而增加了计算的高度，使得模型和实际的状况有不同，一般都不适用。

（2）取地下室底板作为嵌固端，取相对刚度比为2～4，一般取3。这种方法对地下室外的土压力有一定的考虑，但是由于土对地下室的约束作用的影响因素十分复杂，难以确定具体约束作用的大小，这种方法虽不够精确，但是相比前一种方法稍好，也是目前工程界应用最多的方法。

（3）取地下室嵌固端在地下室顶板处，地下室结构与上部结构分开计算，或者整体计算，但是相对刚度比取5或者更大。这种方法假定地下室相对于水平位移和竖向位移完全被嵌固，导致结构的刚度有所增加，从而与实际情况有所差异。

1.3 地下室顶板作为上部结构嵌固部位的具体需求

如果将地下室顶板当作上部结构的嵌固端，就应当使其具备足够的平面内刚度，这样才能很好地传递地震基底的剪力。但是，目前不少建筑物主体结构都同地下车库相连通，而地下车库又不止和一个建筑物相连。同时，因为车库顶一般有0.8～1.8米高度的覆土，使得地下车库的顶板同主楼地下室的顶板存在着一定高差。如果将地下室顶板当作上部结构的嵌固端，能够让结构建立模型在很大程度上得到简化。地下室顶板能不能有效传递主楼地震基底的剪力，将是此种嵌固端位置合理性的关键。所以，在地下室顶板错层处进行加腋加强是非常重要的。假定加腋处简化，则斜杆内力为：

N=N1/cosα （1）

式中，N1是地下室顶板传递过程中所需要的主楼嵌固端基底反力；α则是所加腋同地下室顶板之间的夹角。由式（1）可得出，当α为零时，也就是说地下室顶板没有错层，这时顶板能够完全传递基底反力。当然其依赖于楼板有足够的平面内刚度；当α趋于90°时，即错层处未加腋，则N1均由错层处竖向构件承担。而错层越大，斜杆越长，加腋处因局部加强过强，易造成其他部位的破坏。因楼板平面外刚度有限（其与楼板周边所受约束有关），为了能够有效地保证基底剪力正常传递，可以在上部结构主要抗侧力的竖向构件处加设暗梁；在上部结构建立模型的时候，对于主体结构的地下一层来讲，应当拥有足够的抗侧力刚度，这样才能够有效地减少基底剪力对地下室相关范围内构件的影响。

2 嵌固端选取的技术问题分析

2.1 单层地下室

当高层建筑仅设单层地下室且底板采用天然地基筏板基础或桩―筏基础时，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。此外，规范规定地下室负一层的抗震等级与上部结构必须一致，以基础底板作为嵌固端不会造成地下室结构造价的提高，反而可能取得较好的经济效益。

2.2 投影面积比例

高层塔楼在地下室顶板上的投影面积比例大小对首层作为嵌固端的结构有着不同的影响。当该比例=l时，若首层楼面符合作为嵌固端的其它条件，则该首层作为结构嵌固端就毫无疑问了，但当上述投影面积比例＜l时，说明地下室侧限远离塔楼，塔楼发生的侧向位移将波及首层楼面并使其发生变形，即使变形很小，但严格说来首层作为嵌固端的刚度必然小于前一种情况，且变形又增大了上部结构侧移的计算值，同时首层骨架构件也会由于自身的变形而产生附加内力。作为有经验的结构工程师，在实际设计中都会根据工程实际情况予以鉴别并作出相应的结构处理。