高层建筑的嵌固端部位的选取方法

 摘 要：目前，随着经济的发展市场上高层建筑的增多，高层建筑在地面的嵌固也显得越来越重要，由于嵌固部位的选取直接影响着建筑结构的安全性和经济性指标，因此在设计过程中选择嵌固部位时，务必要按照一定的原则和方法来确保所选的嵌固位置可以满足结构的稳定性与安全性要求。

关键词：高层建筑；地下室；嵌固端

在建筑结构设计工作中，嵌固端也就是整个建筑在地面的固定端，主要作用是保证结构构件在外力，例如风荷载效应、地震效应等的作用下围绕固定端部不发生偏移。当然，不发生偏移的情况只存在于理论上，在实际工程中嵌固端只有相对的嵌固，并没有绝对的固定，建筑物只要偏移量在一定范围内我们即可以认为嵌固端满足要求。在高层建筑进行计算时，设计者要正确选择建筑结构中的嵌固端，使计算时的模型里假定的嵌固端与实际建筑物的嵌固部位尽量吻合，这将直接影响结构部件中的承载力的分配的准确性、结构布局的合理性。因此合理选择高层建筑的固定端是非常有必要的。一般在高层建筑设计中，无论是从结构受力分析来说还是从建筑经济的角度来说应用地下室顶板作为建筑结构的固定端都是非常合适而普遍的，但工程中也有很多例外，以下就从地下室顶板作为建筑上部结构的嵌固端与否两种情况各自需要满足的条件分别试作论述。

1 地下室顶板作为建筑上部结构的嵌固端

将地下室顶板用作上部结构的嵌固端需注意以下几个条件：

1.1 地下室顶板的高度和室外地坪高度应尽量一致，通常情况下地下室的埋置深度应大于其地下一层层高的1/3。

1.2 地下室柱子的纵向钢筋截面面积不应仅是单一的满足计算需求，还要保证柱子截面每一侧的钢筋面积与地上一层对应的柱子相应侧面纵向钢筋面积之比保持在1.1倍以上，这个1.1倍的规定便是为了保证地下室顶板的嵌固作用，通过人为限制，让框架柱在嵌固端屈服时首先是地上一层部分先于地下部分屈服，类似的对于抗震墙也有相关的要求。并且在地下室顶板的梁柱节点处设计时应注意与其他楼层的梁柱节点设计时的区别。其余普通楼层处的梁柱节点往往需要满足强柱弱梁的构造要求，即通过规范中各种调整系数的取值来人为控制让塑性铰首先出现在节点的梁端而不是柱端。而对于地下室顶板的梁柱节点，规范则明确规定了在地下室顶板的梁柱节点处，下柱上端和左右梁端三处加起来的抗震受弯承载力应大于地上一层柱下端的抗震受弯承载力的1.3倍。

1.3 地下室抗震墙墙肢端部的边缘构件的总配筋量要不少于地上一层相应位置边缘构件的配筋数量，此条的原因同第二条中的柱子类似。

1.4 地下室顶板应该采用现浇梁板结构，现浇板的厚度要大于180mm，混泥土强度等级要大于C30，这种形式要使用双层双向配筋，各层每个方向的配筋率要大于0.25%，并且地下室顶板在设计时应尽量避免设计一个大洞口。此条之所以强调现浇梁板结构，并规定了最小混凝土强度等级以及配筋率，目的就是加强地下室顶板的整体性和强度，包括平面内和平面外两个方向。

1.5 根据第二条，地下室柱子的配筋不得小于地上一层柱子配筋的1.1倍，在实际工程中许多设计者以及施工单位往往并不明白此项规定目的是什么，为了施工方便，机械地将下部柱顶相对于上部柱底所多出的纵向钢筋伸入上部柱根锚固，如此做法正好与规范的想法背道而驰，将上层柱的下端和下层柱的上端同时加强了，并没能实现规范想达到的减小地上一层柱底实际受弯承载力的目的。此处正确的做法应该是将多出来的钢筋弯折后锚入地下室顶部梁板结构内。

1.6 为了实现嵌固作用，对于嵌固层的刚度也有要求，地下一层的侧向刚度应不小于地上一层楼层侧向刚度的两倍。规范里并未对如何计算侧向刚度作具体要求，而在计算侧向刚度时采用不同的计算方法所得出的结果也不尽相同，设计者在设计时应具体情况具体分析。一般说来在计算嵌固层的侧向刚度比时采用的是以下两种方法：（1）等效剪切刚度比值法： ，此式为考虑了截面变化以及嵌固端上下楼层层高之后得出的等效剪切刚度比。（2）楼层剪力与层间位移的比值法： ，此式为楼层剪力与位移CQC组合计算出的楼层质心层间位移之比。目前实际工程中第一种方法一般用于方案和初步设计阶段，第二种方法用于施工图设计阶段，需要注意的是，当采用第二种方法计算等效剪切刚度比时，应该按照第一种方法进行补充计算，并且在必要时也应像第一种方法那样在计算时引入层高的因素，考虑层高修正之后再得出结论。

2 地下室顶板不作为建筑上部结构的嵌固端

不将地下室顶板用作上部结构的嵌固端需分为以下两种情况：

2.1 当地下室只有一层时，嵌固端将下移至基础顶面。有资料提出此种情况下，地下室顶板的要求可以比作为嵌固端时放宽，例如板厚可以减小至160mm从而配筋量也相应减少，并且嵌固端的下移可以减小地下室加强区域的高度等等以此说明嵌固端移至基础顶面之后的经济性指标将大大优于地下室顶板作为嵌固端。但实际情况是地下一层虽然未被人为认定为嵌固部位，但实际上地下一层因为周边土体以及挡土墙（抗震墙）的存在，地下一层的刚度依然很大，对上部结构依然有一定的嵌固作用，设计者在设计时应当考虑到这一点，那么对地下一层顶板的加强措施也必须考虑进去，这样经济性的优势便并不如部分资料里预计的那么大了。但此时地下室顶板的灵活性将比其作为嵌固端时大很多，例如开大洞口，采用无梁楼盖等等，这是此种方式的一个优势所在。

2.2 当地下室为多层地下室时，嵌固端的判定依据应该参照地下室顶板作为建筑上部结构嵌固端时的刚度比要求来进行。即验算地下二层或其下的各层与地面一层的侧向刚度比，当满足γ≥2时便可判定此层为上部结构的嵌固部位，此时的嵌固层的楼板应按照前述对嵌固部位的要求来设置。这里需要注意的有两个问题：第一，此处γ的比值始终都是地下室与地面首层之比而不是地下二层与地下一层或者说地下三层与地下二层之比，因为这个比值反应的是地下室对建筑上部结构的嵌固而不是地下室本身各层之间的刚度比；第二，此时的γ的判定是不考虑地下室周边回填土对地下室的刚度贡献的，而在确定了嵌固部位之后的结构计算中则应当按照实际情况考虑外围回填土的贡献。

综上，高层建筑嵌固端的选取对于建筑物本身的嵌固来说非常重要，作为设计者应当在选取嵌固端时各种情况下的要求和条件，注意使计算模型贴近建筑物本身的真实情况，使得我们人为选取的嵌固端接近于真实的嵌固端，只有这样才能得到建筑物在地震时的真实反馈信息，从而能够做出有效而又经济的设计。

参考文献

[1] 朱炳寅.建筑结构设计问答及分析[M].北京：中国建筑工业出版社， 2013.