抗震区地下室嵌固部位的计算探讨

抗震区地下室嵌固部位的计算探讨

杨东升

天水建筑设计院甘肃741000

前言：有地下室的高层建筑是由上部结构与地下室共同组成的结构受力体系，其变形及位移相互联系与影响，并且地下室的回填土对整个结构有较大的约束，这种约束仅约束水平位移并不约束竖向位移，通常我们在结构设计时人为作了一些简化，如将嵌固端取在某层地下室顶板，以嵌固端为界将上部结构与下部结构分别计算，当地下室的刚度足够大时这种简化误差不是很大，但对于现行要求地下室分割灵活的工程，水平刚度与竖向刚度均受限时，上述简化带来的误差不能忽视，因此嵌固部位的确定是结构设计中不可忽视的内容，它是高层建筑计算模型中一个重要假定，确定嵌固端就是通过刚度和承载力调整，迫使塑性铰在该预期部位出现，并能承担上部结构在该处屈服超强引起的极限弯矩和出现塑性铰时的最大剪力以及相应的最大最小的轴向力。由此可知，嵌固部位是否正确设定直接关系到结构计算模型与结构实际受力状态的符合程度，对保证结构体系的可靠性具有重要意义。

地下室顶板是否能做嵌固的条件是根据《建筑抗震设计规范》（2008版）（简称抗规）6.1.14条规定：地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，应避免在地下室顶板开大洞口；地下室结构的楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的2倍，该条文说明中指出侧向刚度比可用剪切刚度比估计，又按《抗规》3.4.2各3.4.3条的规定，按照该条相应的条文说明侧向刚度可取地震作用下的层间剪力与层间位移之比值计算。

下面以某一工程为例，说明如何采用不同刚度比的计算方法来确定地下室的嵌固部位。

二、工程概况

甘肃省陇南市成县某工程的十七层住宅，地下室一层，无人防设计要求，抗震设防类别：丙类，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，场地类别?类，结构体系剪力墙结构，剪力墙抗震等级为二级，高宽比：4.5（依《高层建筑混凝土结构技术规程》4.2.3条满足）。图1为平面简图，图2为三维轴测图。

图1

三、计算分析

1、整体模型计算。计算条件按下列5种情况进行计算分析：

（1）地下室层数为0时（即不考虑地下室的情况）；

（2）地下室层数为1时，土层水平抗力系数的比例系数填写为0（不考虑回填土的影响）

（3）地下室层数为1时，土层水平抗力系数的比例系数填写为3（考虑回填土的影响）

（4）地下室层数为1时，土层水平抗力系数的比例系数填写为100（考虑回填土的影响）

（5）地下室层数为1时，土层水平抗力系数的比例系数填写为-1（考虑回填土的影响）

（注：该嵌固层号的填写是从下往上数即结构的模型层数）

由表1可知，第1、2种情况均未考虑回填土，无变化，从而可以得到地下室侧向约束的附加刚度与地下室层刚度无关，而与是否回填土有关，且在第一层（地下室顶板）的层间刚度比均大于2，按此种方法可以将嵌固部位确定为地下室顶板；第3、4种情况较前两种情况有变化，且两者之间变化较大，原因是回填土性质不同，第5种情况填了-1，即在第一层（地下室顶板）出现了极大值，负值体现为绝对嵌固层数，理论上说该层的刚度比应为无穷大。

（注：该嵌固层号的填写是从下往上数即结构的模型层数）

由表2可知，剪切刚度比的计算在5种不同的计算条件下计算结果完全一致，表明这种计算方法与与是否回填土无关，只取决自身建筑特性，且用该方法第一层（地下室顶板）的层间刚度比X方向大于2，Y方向近似大于2，按此种方法同样可以将嵌固部位确定为地下室顶板。

由表1和表2及抗规6.1.14条可以得地下室嵌固端确定为第一层（地下室顶板）。

补充说明：土层水平抗力系数的比例系数M，其含义为：地下室外墙水平压力和回填土垂直压力的比值，该参数可以参照“建筑桩基技术规范JGJ94-2008”的表5.7.5的灌注桩项来取值。m的取值范围一般在2.5-100之间，在少数情况的中密、密实的沙砾、碎石类土取值可达100-300。由于m值考虑了土的性质，通过m值、地下室的深度和侧向迎土面积，比较侧向约束更合理。

比较2009版6月之前的SATWE软件采用的参数是“回填土对地下室约束相对刚度比”，若填N，则该参数的含义是：回填土的约束取N倍的地下室刚度模拟，由于侧向约束与地下室的层刚度有关，而与回填土的性质无关，且地下室结构布置等产生的层刚度变化很大，与层刚度相关的约束参数难以把握。比如框架地下室和剪力墙地下室层刚度差异极大，用它们的倍数计算土的侧向约束以后，造成相同的土层约束下对剪力墙结构的约束结果会比框架结构大很多，这种侧向约束参数的算法难以取得合理的约束值。

结束语：由于工程具体情况的多样性和复杂性各异，从技术性和经济性出发，很难也不可能只存在唯一的解决途径，设计人员只能因地制宜根据自己掌握和理解的程度于以决断。上述比较仅作参考，并不完全。

参考资料：

《SATWE用户手册与技术条件》2006年9月

《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）

《建筑抗震设计规范》（2008版）（GB50011-2001）

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）2009.11