上海市某高层建筑嵌固端的选取

王娟

（上海市机电设计研究院有限公司，上海200040）

1 引言

近年来，高层建筑较多设置大型地下室。对于这类建筑，结构设计时通常会选取地下室顶板为嵌固端。但受制于建筑功能的制约，例如，因地下室顶板设置车库出入口、下沉式广场、园林种植及采光天窗等。致使顶板开洞，而这些洞口会对顶板的面内刚度和地下室整体性造成一定程度的削弱。特别是洞口离塔楼较近时，必然会对嵌固端造成不利影响。

在实际工程中，遇到这种复杂的情况，一般将嵌固端下移至下一层楼板。本文以上海某工程为实例，探讨选取不同的嵌固层对上部结构嵌固能力的影响，为地下室顶板开洞的研究及类似工程问题提供参考。

2 嵌固能力的判断

从力学角度看，嵌固是指完全刚性固定，嵌固点下方刚度无穷大，无平动、转动，达到完全约束。从工程角度看，嵌固是一个区域，并且只有相对固定，没有绝对固定。实际工程中不可能存在理论上的绝对嵌固端。决定地下室嵌固能力的主要因素是地下室的相对刚度。根据我国现行GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》及JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中对嵌固条件的规定，即“地下室结构的楼层侧向刚度应不小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍”【1，2】。

“地下室结构的楼层侧向刚度”是指结构自身刚度，在选取上部结构嵌固部位时，虽然楼层侧向刚度比计算中不应考虑土对地下室外墙的约束作用，然而，回填土对地下室的实际约束作用还是很大。同时，地下室顶板对上部结构的嵌固作用是不能忽视的，是否作为上部结构的嵌固部位，取决于这种嵌固作用的强弱。

对于地下室嵌固层嵌固能力的判断，在地震作用下，根据嵌固层板对塔楼竖向构件水平位移的约束情况和竖向构件内力分配的情况来进行分析。同时，选取不同嵌固层会使地上部分结构的周期、位移发生变化。因此，本工程主要以塔楼周期、顶点位移及与地上结构的侧向刚度比作为嵌固能力的考量。

3 工程概况

本项目位于上海市漕河泾新兴技术开发区。抗震设防烈度为7度，建筑场地类别为上海IV类。建筑物地上20层1#塔楼为工业研发用房，长和宽各42m，建筑高度87m（见图1）。采用框架-剪力墙结构，框架柱沿四周对称布置，柱距由外向内分别为10.5m、8.4m和4.2m，剪力墙集中布置在中部电梯井道和楼梯间，形成核心筒。框架柱断面沿高度从1.2m×1.2m变至0.9m×0.9m，剪力墙厚度从400mm变至250mm，混凝土强度等级为C60至C40逐步递减。地下室共2层，东西总长121.5m，南北宽78.25m，地下1层标高-6.100m，地下2层标高-10.000m。地下室塔楼范围内（距塔楼小于20m范围）混凝土强度等级为C60，其余部分为C40。

图1 地下室顶板塔楼相关范围内平面图

因塔楼西北角及东南角设置下沉式广场，导致地下室顶板开洞尺寸较大。洞口宽度约占楼层宽度X向的20%，Y向的20%，开洞面积约占楼层面积的7%。同时距离塔楼外墙16.8m处地下室顶板，板面标高降1.8m左右。上述情况影响楼板面内刚度和地下室的整体性，尤其是洞口紧邻塔楼角部，对顶板的嵌固能力有较大影响。

4 模型对比分析

4.1 顶板嵌固能力对比分析

采用PKPM结构设计软件（2010v2.1版)进行下述3个模型的对比分析，模型的地下室顶板均假定为弹性膜单元，其他地下楼层假定为刚性楼板。

模型A：上部结构模型，嵌固于地下室顶板，假设地下室顶板不开孔。

模型B：整体模型，嵌固于考虑实际开孔的地下室顶板，考虑顶板开孔的影响。

模型C：整体模型，嵌固于地下1层，考虑将地下1层作为嵌固端。分析模型示意图见图2。

图2 分析模型示意图

表1为3种模型的周期及地震作用下顶层平均层间位移的对比结果，可以看出，考虑开孔影响的模型B，其周期略大于不考虑开孔影响的模型A，说明洞口并未造成嵌固能力的较大损伤，结构设计时采用加强措施即可。

表1 各模型周期及顶层平均层间位移计算结果对比

在考虑地下室外回填土的侧向约束作用时，各模型地震作用下顶层平均位移基本一致。选取嵌固于地下1层楼板的模型C来观察，地下1层的X向侧向刚度为5.617 1×108kN/m,顶板错层低处X向侧向刚度为5.749 1×108kN/m，顶板处X向侧向刚度为5.912 4×108kN/m，地上1层X向侧向刚度为5.610 4×107kN/m。地下所有层与地上1层的侧向刚度比值均远远大于2。说明地下室顶板有足够嵌固能力。

4.2 各模型柱内力对比分析

为分析地下室顶板开孔对开孔处柱内力的影响，以及选取不同嵌固端对顶板开孔处柱内力的影响。采用图1中的Z1（第一振型）在X向及Y向地震作用下调整前内力标准值进行比较分析。对比结果详见图3、图4。可见，顶板不开孔的模型A的剪力及弯矩均明显大于顶板开孔的模型B。选取地下室顶板为嵌固端的模型B的剪力及弯矩均明显大于以地下1层楼板为嵌固端的模型C【3】。

5 结语

图3 Z1在X向地震作用下调整前内力标准值

图4 Z1在Y向地震作用下调整前内力标准值

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》，若将地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，顶板应避免开设大洞口。此规定的目的就是要保证嵌固层的整体性，避免因开设大洞口，对楼板整体性削弱太多，迫使嵌固部位下移。因此，本工程为满足建筑功能的需要，在无法将地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，只能将上部结构嵌固端选取在地下1层楼板，对地下1层的楼板按照嵌固端进行处理【4，5】。

根据前文分析结果，地下室顶板的实际嵌固作用不容忽视，故需按照选地下室顶板作为嵌固端模型进行复核，对构件进行包络设计。在地下室顶板采用相应的构造加强措施，包括板厚取用200mm，地下1层柱纵筋的配筋量≥1.1倍地上1层柱纵筋的配筋量等措施。