关于高层建筑地下室嵌固端的判定及选取方法的探讨

关于高层建筑地下室嵌固端的判定及选取方法的探讨

曾佳能

曾佳能

广东华方工程设计有限公司广东广州510100

摘要：绿色建筑理念席卷全球，高层建筑对于空间利用率高，同时也利于城市化进程的加快，高层建筑也在越来越多。嵌固端是上部结构计算的固接支座，地震来袭时，嵌固端界面以下部分土体、基础及地下室随地面一起运动，界面以上上部结构产生相对运动。因此，高层建筑地下室嵌固端的判定及选取方法对于建筑安全至关重要，本文主要根据高层建筑大面积地下室结构对上部结构产生的嵌固作用进行分析研究，并结合实例对嵌固端的影响因素及选取方法做了探讨。

关键词：地下室结构；嵌固端；影响因素；有效范围

引言

由于带地下室高层结构嵌固端的位置与地基约束作用有关，因此，合理考虑地基回填土的约束作用对于保证结构计算的准确性具有重要意义。现阶段，我国建设用地资源有限，为提高建筑面积使用率，高层建筑设有地下室的结构较为常见，但较大面积地下室结构对上部建筑造成直接或间接影响，本文主要针对该问题进行分析探究。

1地下室高层结构嵌固端判定条件

《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定高层建筑上部嵌固端为地下室顶板时，地下室顶板侧向刚度应大于等于相邻楼层侧向刚度的2倍，就是当楼层刚度大于2时，则嵌固端稳定性达到规范要求，也是其判定条件。当地下室一层刚度无法满足嵌固端设置要求时，需编制新设计方案进一步核算刚度比值re，使刚度达到规范要求。比如以某一设有地下车库的高层建筑为例，地下设有两层地下车库，地下一层和二层均受侧向约束力影响，因此，侧向约束力不能作为判定嵌固端是否稳定的必要条件。该工程地下二层按照普通住宅结构设计，可能不满足作为嵌固端的条件。当地下二层作为嵌固端时，则设计规范规定地下二层顶板抗侧刚度应大于地上一侧刚度的2倍。

地下室支柱纵筋面积应大于地上建筑对应支柱纵筋面积的1.1倍，地下室与上层建筑结构相连接，即侧向力传递良好时，计算楼层剪切刚度还应考虑地下室外墙的作用。但当地下室外墙距离地上建筑结构较远，产生的影响较小，嵌固位置能够确定时，可忽略外墙产生的作用。影响嵌固端设置位置因素较多，且复杂多变，因此，在设置嵌固端位置时，应标明嵌固端位置计算与上部结构相关。计算嵌固端配筋率方法与其他部位存在差异，通常为其他楼层结构的2倍。

2带地下室高层建筑嵌固端选取问题的研究

2.1工程概况

某商住两用综合体的设计使用年限为50年，采用剪力墙结构，工程地上部分为12层地下部分为两层，其中地下1层为储藏层，层高2.9m，地下2层为车库层，单体部分层高4.7m，建筑总高度38.9m，剪力墙抗震等级为三级，计算模型的嵌固端选取在基础顶，土层水平抗力系数的比例系数M值取10，建模时带入地下室相关范围。

该工程建筑设于地下车库上方，因此，地下一层侧向约束既与回填土高度有关，也与建筑与地下车库位置有关。现阶段，高层结构设计中所使用的分析软件并不能衡量出填土对地下室侧向变形作用产生的约束力大小，因此，在使用软件分析地下室侧向变形和刚度计算时，还需结合相关工作经验进行审核[3]。当地下室层数大于1层时，将地上建筑嵌固端设置于地下室顶板，其顶板需满足以下条件：1）地下室顶板刚度应大于等于地上建筑结构剪切刚度2倍；2）地下室顶板与地面距离应小于地下室层高1/3，但在计算地下室顶板剪切刚度时，应忽略地面土层对地下室产生的影响，回填土对地下室剪切刚度造成的影响可计作零；3）地下室顶板刚度和承重能力应满足设计规范，为增加地下室顶板承重能力，应将顶板设为梁结构，顶板厚度应大于180mm，采用双向双层配筋方式，配筋率大于0.25%，同时，混凝土强度应大于C30；4）地下室顶板梁柱截面设计时应确保实际受弯承载力和大于上下柱端实际承载力之和，保证梁结构抗弯刚度达到设计标准。

2.2嵌固端位置的不同对结构的影响

2.2.1带地下室高层建筑计算模型

目前，主要有两种计算模型：整体计算模型和分离计算模型。

（1）整体计算模型

整体计算模型就是将上部结构和地下室作为一个整体进行建模计算，如图3所示：

整体计算模型对是否将地下室顶板作为上部结构的嵌固端并无要求，因整体计算模型能够真实的反映地下室外回填土对结构的约束作用，所以，带地下室高层建筑通常采用此模型进行结构计算和分析。在进行整体计算模型分析时，需要注意以下几个问题：1）如何正确的反映回填土对结构的约束作用；2）如何合理的考虑地下室的侧向刚度。

（2）分离计算模型

分离计算模型通常是将地下室顶板作为上部结构的嵌固端，以嵌固端为界，将上部结构与地下室分开建模计算。先将地下室顶板作为上部结构的嵌固端进行上部结构的建模计算，然后，再将上部荷载导入到地下室顶板进行地下室的建模计算。结果表明弱连体结构单体模型的地震响应基本可以代表整体模型的地震响应。因此，刚度对模型的选取至关重要。

2.3嵌固端的设置计算

该工程高层建筑设计过程中，嵌固端设置位置应结合整栋建筑结构分析确定，选定地下室顶板作为嵌固端。根据现场实测数据可知，该地下室顶板与地面存在高差，回填土对顶板约束力无法满足规范要求，且地下室顶板与邻侧车库顶板不限连，水平方向上可能发生侧向位移情况。该工程地下室顶板与邻侧车库外墙不相连，剪切刚度较难达到规范要求，因此，需要对地下室顶板剪切刚度值进行分析，具体结果见下表1所示。

若以地下2层顶板作为嵌固端，则顶板厚度取180mm。计算地下2层与地下1层刚度比时还应考虑地下车库对其产生的影响。为确保地下室顶板和墙体刚度及承重能力达到嵌固端标准，该工程地下2层，所有结构墙体厚度均由原设计的200mm和250mm增加到300mm，同时，增加地下车库的结构墙体面积，以提高嵌固端稳定性。

X方向与Y方向的剪切刚度比值，地下室2层和1层均大于2。地下1层与地上1层地震剪力和层间位移所得结果y大于《高层建筑混凝土技术规程》规定的1.5，因此，地下2层顶板作为嵌固端能够满足设计标准要求。高层建筑稳定性很大程度上取决于嵌固端设定是否合理，同时，在设计嵌固端时还应上部建筑造成的堆载作用，应在计算所得参数基础上适当增加顶板厚度和配筋率，综合分析该工程实际建设情况和嵌固端设计需求等多方面因素，最后选定顶板厚度为160mm。

3结论

综上所述，设有地下室的高层建筑设定建筑主体结构时，应考虑地下室对主体结构的影响，结合计算机软件分析建立不同条件下的结构模型，得出以下结论：

1）嵌固端的选取需要结合工程实际，可以从有无地下室、基础结构形式、基础埋置深度、建筑高度和高宽比这四个方面定性分析；

2）改变嵌固端的位置，利用SATWE软件分析的结构周期增大了，地下室顶板厚度增加了，说明嵌固端位置的变化对结构的周期和顶层位移影响不大；

3）对于高层建筑，当下部结构楼层侧向刚度与相邻上部楼层侧向刚度的比值逐步增大时，整体结构的动力性能，变形性能以及受力性能所产生的误差值均逐步较小。当剪切刚度比大于2时，其误差值均小于10%，大部分计算结果误差率小于5%，处于结构工程设计允许的误差范围之内，即可认为此时可把地下室顶板作为上部结构嵌固部位计算。

参考文献

[1]莫世海，全戈，梁灏，孙科章.地下室顶板开洞对超高层建筑嵌固端的影响分析[J].建筑结构，2011，41（04）：93-97.

[2]杨晓峰，李亮.带地下室高层结构嵌固端假定适用条件研究[J].结构工程师，2011，27（01）：66-72.

[3]张朝云.带地下室高层建筑结构嵌固端的选择及相关问题研究[D].重庆大学，2008.

[4]张元坤.高层建筑结构嵌固端的选取及相关技术问题[J].广东土木与建筑，2004（02）：3-5.