关于高层建筑结构设计中地下室嵌固作用的思考

关于高层建筑结构设计中地下室嵌固作用的思考

摘要：高层建筑作为节省空间和地理区域的一种建筑越来越多的受到关注，而在工程建设中高层建筑上部分承载的负荷都比较大，地基埋置的深度也很深，这样地下室嵌固的效果就会直接的影响建筑后期的使用和成本造价的控制，所以地下室嵌固问题是值得研究和分析的，做好这方面的了解和分析才可以完善地下室嵌固技术，从而确保建筑的质量。

关键词：嵌固作用；侧向刚度比；地下室；回填土

中图分类号：s611 文献标识码：a 文章编号：

引言

高层建筑是一个由上部结构和地下室组成的完整承载力体系，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有一定的约束作用，仅约束水平位移，而对竖向位移和竖向转动不限制。由于这些问题，则在高层建筑设计中，进行结构分析计算之前必须首先确定结构嵌固端的所在位置，它不仅关系到结构中某些构件内力分配的准确性，而且还影响结构产生侧移的真实性，以及结构局部的经济性，本文对结构嵌固端的选取等技术问题进行一些探讨。对嵌固机构的认知

嵌固层，是以一个坚硬、稳定，可以牢固握裹住上部结构的一个刚体，比如旗杆下面的台座等。嵌固层的作用是能限制上部结构在水平方向的平动位移和转动位移，并能将上部结构的剪力全部或大部传递给下部结构，使上部结构竖向构件的塑性铰出现在竖向构件

的根部，这就要求作为嵌固端的下部结构必须具有较大的侧向刚度，以保证事实嵌固端的形成。

通常在结构设计中，较为普遍地是取建筑物的地下室作为上部结构的嵌固端。事实上，在建筑结构中，由于各种工程项目的不同，地下室的实际状况亦有所不同，比如地下室顶扳与室外地面的高差>1/3；又比如因为工程需要，在地下室顶板上开设大洞口等；这时，地下室顶板就不能作为上部结构的嵌固层，而应调整嵌固位置；即使地下室在形态上满足作为上部结构嵌固层的条件，还必须满足地下室的楼层侧向刚度大于相邻上部结构楼层侧向刚度的2 倍这

个最重要的条件。

对上部结构嵌固作用的主要分析方法

在结构设计中，带地下室的高层建筑计算模型主要有以下三个核心问题：一是如何合理考虑地下室的刚度；二是如何正确反映回填土对地下室的约束；三是如何考虑基础的作用。目前在上部结构的设计中不直接考虑基础的影响，一般是假定在基础面上约束，或者在施工模拟荷载时近似考虑。为了合理考虑地下室的刚度，一般都是把地下室和上部结构一起建模。对于回填土对地下室的约束的分析方法，近几年理论研究比较多，已取得一定的研究成果，主要有嵌固水平位移法和弹簧刚度法。

1. 嵌固水平位移法

嵌固水平位移法即通过考虑地下室水平位移的侧向嵌固来考虑

回填土的约束作用。主要涉及到地下室结构与相邻上部结构楼层的

侧向刚度比。侧向刚度的计算主要有三种方法：

1.1 地震剪力与地震层间位移比

地震剪力与地震层间位移比是一种与外力有关的计算方法。规范中规定的不仅包括了地震力产生的位移，还包括了用于该楼层的倾覆力矩产生的位移和由于下一层的楼层转动而引起的本层刚体转动位移。

2. 剪弯刚度

剪弯刚度本质上就是单位力作用下的层间位移角，所以其刚度比也就是层间位移角之比。它虽然能同时考虑剪切变形和弯曲变形的影响，但没并有考虑上下层对本层的约束。

2.1 剪切刚度

剪切刚度的计算方法主要是剪切面积与相应层高的比，其大小跟结构竖向构件的剪切面积和层高相关。剪切刚度没有考虑带支撑的结构体系和剪力墙洞口高度变化时所产生的影响。

3. 弹簧刚度法

弹簧刚度法的计算模型是将上部结构与地下室作为一个整体考虑，嵌固端选取在基础底板处，并在每层地下室的楼板处引入水平弹簧刚度，其值的大小反映回填土对地下室约束作用的强弱。设计人员运用该种方法时需要确定水平弹簧刚度的具体取值，这是十分困难的，很难确定回填土对地下室约束作用的具体大小。在satwe 软件中，没有直接要求用户输入水平弹簧刚度的真实数值，而是间接地要求输入回填土对地下室约束作用的相对（弹簧）刚度比，其

含义是回填土的约束刚度与地下室本身抗侧移刚度的比值。若取相对刚度比为零，则表示不考虑回填土的约束刚度；若取相对刚度比为5.0或更大，则计算结果与嵌固各层地下室顶板水平位移效果一致。这是两个极端情况，工程实际情况应该介于这两种情况之间，为确定相对刚度比的合理取值范围，研究者对许多工程进行了对比分析，分析经验表明，对于一般工程，取相对刚度比在2.0到4.0之间变化比较合适。

结构软件对地下室结构的处理方法

做上部的结构的具体计算的时候，要先确定嵌固的位置，因为位置影响着基础的弯矩，这对整个结构的设计和基础的分析设计都是很重要的，而且和建筑的安全和质量息息相关，嵌固位置的准确关系着计算模型和最终的受力情况的符合规则。

嵌固部位结构的整体刚度和承载力是塑性铰出现的必要条件。地下室嵌固部位应能承受上部结构屈服超强引起的内力及地下室本

身的地震作用。因此，《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》都规定：当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，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。地下室不能满足嵌固部位的楼层侧向刚度比规定时，可以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，如基础顶面等。当地下室不少于两层时，地下室顶部可作为上部结构的嵌固部位。

在实际工程设计中，经常运用satwe 有限元软件进行结构计算，

主要可采用以下三种方法考虑嵌固端的选取问题：

（1）以地下室底板作为嵌固端，取相对刚度比为0 这样的方式没有对地下土体对整个地下室侧面的嵌固作用的影响进行考虑，从而增加了计算的高度，使得模型和实际的状况有不同，一般都不适用。

（2）取地下室底板作为嵌固端，取相对刚度比为2-4，一般取3这样的方式适当的考虑了地下室的土压力，但是影响土堆地下室约束作用的因素十分的多，很难准确的知道作用的大小，这样的方式虽不够准确，但是还是比第一种好些，当前使用的也相对多一些。（3）地下室嵌固端设在地下室的顶板处，要把地下室的结构和上部的结构独立的计算，或者整体计算，但是相对刚度比取5 或者更大，这样的方式地下室的水平的位移和竖向的位移都被完整的嵌固，这样结构的刚度加大，和实际的状况不一样。

地下室顶板作为上部结构嵌固部位的要求

嵌固端的选取固然很重要，但是在选定嵌固端后，如何保证其成为真正的嵌固端也是设计人员所关心的重要问题。《抗规》6.1.14条规定了地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时的有关要求。主要包括以下四点：第一，楼板厚度不宜小于180mm；第二，混凝土强度等级不宜小于c30，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25％；第三，顶板不宜开大洞；第四，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。规范这样规定主要是考虑柱在地上一层的下端出现塑性铰而不是梁柱节点