上部结构与地下室共同工作及地下室设计、人防设计

协同工作模型
加约束
1.2。水平荷载作用及变形特征
风荷载计算均扣除地下室的高度。地下室是否约束、约束的 程度与风荷载（外力）计算无关。 程序自动考虑：1。地下室部分的基本风压为零；2。在地上 部分的风荷载计算中，自动扣除地下室部分的高度，地下室 顶板作为风压高度变化系数的起算点。 结构在地震作用下的反应（周期、振型、位移、内力）受地 下室外的回填土约束程度的影响。
方法2：地下室水平位移的有限（弹簧）约束（K法）。
满足层刚度要求的简化 嵌固端上移
单边有回填土的简化 不考虑土的侧向约束 作用
地下室层刚度的计算
第2层（地下1层）的结构平面
第3层的结构平面
采用第3种层刚度的计算方法时，应先不设地下室层数
查看所计算的层刚度及层刚度比值
第2层层刚度（5.6、5.9）大于第3层层刚度（1.7、2.5） 的2倍，满足规范要求，所以可以把第3层底作为嵌固端。
分开计算，将导致竖向荷载局部的不协调性，与整体分析将 产生差异。
2。分析模型
简化的分离模型（有条件的）：
将上部结构与地下室分开，分别设计计算。
按规范确定嵌固层作为二者分界。 共同工作分析（无条件的）：
将上部结构与地下室作为一个整体，考虑共同作用，采 用如下两种方式之一来考虑地下室外回填土对结构的约 束作用。 方法1：地下室水平位移的侧向嵌固（-K法）。
• 实际工程地下室刚度有较大的不确定性。
半地下室
单边有回填土 的地下室
地下室刚度很大 土约束不住
规范本意，嵌固端对上部柱产 生的塑性铰形式
• 由于不能保证塑性铰一定出现在±0.0处，可以把嵌固端与预 设塑性铰的设计概念区别开来。 • 结构预设塑性铰，可以通过构造、配筋等来假定。
• 结构嵌固端还是应设在基础顶面。即，考虑上下部结构的共 同作用。
上部结构与地下室共同工作及 地下室设计、人防设计
邵 弘
1。地下室结构的特点 2。分析模型 3。风、地震、恒活荷载作用计算 4。地下室抗震控制 5。地下室外墙平面外设计
1。有地下室结构的特点和变形特征
上部结构与地下室组成一个承力体系，具有共同的位移场， 相互协调变形。 地下室外的回填土对结构侧向有一定的约束作用。 地下室楼层侧移刚度通常较大。
3。风、地震、恒活荷载作用计算
风荷载计算
无论地下室侧向约束的程度如何，地下室部分的基本风 压取为0。
在地上部分的风荷载计算中，自动扣除地下室部分的高 度，地下室顶板作为风压高度变化系数的起算点。 结构在风荷载作用下的效应（位移、内力），受地下室 侧向约束的程度的影响。
地下室对风荷载计算的影响
地下室的约束传力
• 地下室的侧向约束是如何影响水平力传递的？
• 当地下室侧向施加约束时，水平剪力将随着约束而减少， 约束越强，上部结构传到地下室的剪力越小，直至为0。 即，约束刚度将吸收剪力。
上部结构传到地下 室顶面的剪力 上部结构传到 地下室的剪力
侧向约束传到 土体内的剪力
所观察的 柱
4层地下室的超高层结构
ห้องสมุดไป่ตู้
• 侧向约束程度应如何选择？ • 回填土对地下室的约束程序，与土质有关，实际上难以确 定。 • Satwe程序的地下室参数“回填土对地下室约束相对刚度 比”如果填3，则这个参数的含义是：回填土的约束取3倍 的地下室层刚度来模拟。 • 有时，地下室的体量、刚度本身就已经很大了，再把其放 大3倍作为土的侧向约束，则土的约束估计就偏大很多了。 • 建议应根据工程的实际情况取值。取值范围宜在0～1之间。
回填土只对结构的侧向变形有约束，对竖向变形没有约束。
地下室侧向约束程度的变化
简化分析模型
1、高规5.3.7条，地下室顶板作为上部结构的嵌固端时，地 下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚 度的2倍。 2、地下室某一层顶板作为上部结构嵌固端。用的很少。 3、半地下室应从严处理，即不考虑有回填土一边的侧向约 束作用。
所观察的 柱
4层地下室的超高层结构
柱剪力
柱弯矩
地下室上层，第5层的柱内力
柱剪力
柱弯矩
地下1层，第4层的柱内力
柱剪力
柱弯矩
地下2层，第3层的柱内力
柱剪力
柱弯矩
地下3层，第2层的柱内力
柱剪力
柱弯矩
地下4层，第1层的柱内力
• 由柱的弯矩、剪力随地下室楼层的变化，可以看到 弯矩在地下室楼层中急剧减小。剪力在地下室1层有 应力集中现象，导致地下室1层的剪力反而有所增加， 再往下的变化规律与弯矩的变化一致。 • 这种充大刚度模拟约束的方式，容易在地下室1层刚 度突变，造成剪力的应力集中，产生大于上1层 （±0.0层）的剪力。
嵌固端取在 地下室底面
• 地下室与上部结构共同建模分析与侧向约束的关系？
• 上下部结构的共同建模、分析，使得整体结构具有相同的位 移场。上下部协调变形，传力合理，尤其是竖向的协调变形 具有显著的优点。如柱墙轴压比的连续性等。 • 如果不考虑侧向约束，刚度估计偏柔。有时位移处在临界状 态时，往往对侧向约束程度较为敏感。 • 所以，对上部结构的分析、设计，宜考虑地下室的侧向约束。
《高规》的“宣贯培训材料”（P5-12）建议：当刚度比 不满足嵌固部位的楼层侧向刚度比规定时，有条件可增加 地下室楼层的侧向刚度，或者将主体结构的嵌固部位下移 至符合要求的部位。
地下室侧向刚度比计算：确定嵌固部位
《高规》的“宣贯培训材料”（P5-12）建议： 方法1：按《抗震规范》的楼层剪力与层间位移比计算。
地下室结构设计和剪力的调整
• 地下室设计剪力应如何确定？
• 在《建筑抗震设计手册》（按GB50011-2001编写）中的 第352页，有关“基础及地下室结构的抗震设计要求”中 提出了地下室结构抗震设计要求。如下图所示：
地下室对总地震作用的影响
若地下室约束刚度比填零，则对总地震作用无影响。 若地下室约束刚度比大于零，则根据约束强弱调整地震 作用，约束越强，地下室地震作用考虑越少，约束非常 大时，相当于不考虑地下室地震作用。 若地下室约束刚度填负整数M，则对底部M层地下室的 水平位移和扭转角作完全嵌固，从而也就完全不考虑底 部M层的地震作用（M<=MBASE）。
由地下室质量产生的地震力，主要被室外的回填土吸收。
在控制结构剪重比时，不考虑地下室质量。即不考虑地下室 楼层的剪重比。
地下室的剪重比可以不予考虑
越向下约束程度越大，地震反应越小
程序仍然给出调整，但影响不大
地下室也可以不调整
水平位移的影响——有限约束
越向下约束程度越大，位移趋于0
竖向位移没有影响
竖向位移不受侧向约束的影响，所以仍然较大
在水平力作用下地下室约束的变形特征
1.3。竖向荷载作用及变形特征
对于一般结构而言，地下室外的回填土约束对竖向荷载作用
几乎没有影响。
当地下室出现悬挑结构，则地下室外的回填土约束对竖向荷 载作用有一定影响。所以，地下室不应有悬挑结构。
地下室与上部结构整体分析，是首选。因为竖向变形的协调 是非常重要的。
地下室侧向约束刚度的作用
• 地下室侧向约束为什么能用大刚度来模拟？
• 地下室侧向受回填土的影响，当结构侧移时，回填土将 对地下室部分的侧移产生反作用力（被动土压力和侧向 摩擦力），并使侧移减少。越往下，侧移越小直至为0。
• 这种限制侧移的现象可以理解为一种约束。 • 对结构来说，刚度越大位移越小，当刚度无限大时，位 移为0。 • 所以，刚度与约束是互通的。约束强可以理解为刚度大。
约束：可以用一种刚度表示，当刚度越大，反映在结构上就 是变形越小，当刚度很大时，变形将趋于零。反过来约束加 在结构上也是这个现象。所以，约束可以用刚度来模拟。 相对刚度比：反映约束与层刚度的比值，如认为约束产生的 等效刚度是层刚度的2倍，该系数则填2。 当需要无限约束，即侧向完全嵌固不动。可以按负值填入。 程序将按一个超大数来放大约束的等效刚度，以达到无限约 束、嵌固不动的目的。 一般小于10以下的约束均为有限约束，地下室将会产生很小 的侧向位移。
规范有关规定：嵌固部位如何定？
何为嵌固部位————能约束结构所有位移和转角（Dx、Dy、 Dz、θx、 θy、 θz ）的部位，称为嵌固部位。 何为侧向约束————只约束结构的水平位移和整体扭转 （Dx、Dy、 θz ）的部位，称为侧向约束。当这种侧向约 束很大时，也可以称之为侧向嵌固。 《抗震规范》第6.1.14条、《高规》第5.3.7条都规定，当 地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下室结构的楼层 侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。
满足层刚度要求的简化
单边有回填土的简化
协同工作分析模型
通过对地下室部分施加侧向弹簧约束，考虑地下室外的回 填土对结构有一定的约束作用。 回填土的约束与土的压缩模量有关。 程序采用简化方式模拟地下室的侧向约束。
地下室层数定义
地下室约束刚度定义
回填土对地下室约束相对刚度比：这个参数反映了侧向土对 结构侧向的约束作用。
方法2：按《高规》附录E的剪切刚度比计算。
《抗震规范》第6.1.14条文说明中建议： 当进行方案设计时，侧向刚度比可采用剪切刚度比估算。
1.1。地下室的特点和约束模型
上部结构与地下室共同组成一个承载力体系，具有共同的位 移场，相互协调变形。 地下室外回填土对结构有一定的约束作用。且回填土的约束 作用从上倒下越来越强。
嵌固端上移的工程实例——满足层刚度的要求
分析模型的选择
虽然满足层刚度比的要求， 但仍然选择按共同分析 通过对地下室部分施加侧 向约束，考虑地下室外的 回填土对结构有一定的约 束作用。 -K型：1-K层侧向嵌固。 K型：地下室外加K倍主元 刚度，侧向约束。