地下室顶板大开洞时上部结构嵌固端选取的分析

地下室顶板大开洞时上部结构嵌固端选取的分析

摘要] 带地下室高层建筑合理选取嵌固端对整个结构的计算分析起着至关重要的

作用，本文结合工程实例，对地下室顶板有大开洞情况的工程进行受力分析，确

定嵌固端的合理位置，并针采取相应的加强措施，以达到设计假定与实际受力相

符的目标。

[关键词] 地下室顶板大开洞；嵌固端

一、引言

目前商业综合体项目中，为了有效结合地上和地下的商业整体性，常在地下

室顶板靠近主楼附近设置下沉广场以布置楼梯、自动扶梯以及满足采光等功能。

对于这类项目嵌固端位置的选取是结构设计的难点，笔者结合位于上海市的某实

际工程对该问题做简要的分析和介绍。

二、工程概况

本工程位于上海市，拟建项目为一栋综合楼，总建筑面积约4.3㎡，地下共

3层，地下室长×宽约为：109.5m×64.14m，地上共7层，标准层长×宽约为

72.7mx50.2m，地下三层层高4米，地下二层层高5.2米，地下一层层高6米。上海市抗震设防烈度7度，设计地震分组第二组，设计基本地震加速度值0.10g，

建筑场地类别IV类（上海）[1]，主楼为框架剪力墙结构。

高层建筑结构设计分析中，考虑到地下室侧向刚度通常较上部侧向刚度大出许多，可以地下室顶板作为上部结构嵌固端进行计算分析，根据上海市工程建设规范

《建筑抗震设计规程》[1]以及《建筑抗震设计规范》[2]地下室顶板作为上部结构

嵌固端时，应避免在地下室顶板开设大洞口，本工程主楼右侧的地下室顶板存在

下沉式广场（图1），开洞面积占整个平面比例约为6%，洞口尺寸占Y向边长的40%左右，对地下室顶板能否作为结构的嵌固端存在一定的影响，并且主楼与相

邻的地下室顶板存在着1.15m的结构高差，也影响着地震力传递的连续性。

地下室顶板嵌固能力的实现主要取决于地下室顶板的水平作用传递能力、地下室

外墙外侧回填土对结构的约束以及地下一层与首层的侧向刚度比，地下室顶板、

地下室外墙、柱和底板构成了整体传力体系，从而能够将风、地震等水平作用传

递给基础和周围土体。其中地下室相对刚度是决定嵌固能力的主要因素，只要地

下室有足够刚度就能约束上部塔楼的变形反应，并对顶板作相应的应力分析，有

针对性地采取加强措施，即可满足地下室顶板作为嵌固端的假定。

图1 地下室顶板开洞示意图

三、嵌固端选取的计算分析

1.大开洞的受力分析

考虑三层地下室埋深大，周边嵌固条件好，地下室顶板的洞口对X方向的

传力有较大影响。因此，根据建筑平面布置，增加地下室剪力墙的厚度，地面以

下增加一定数量的X向墙体，以保证X向水平力的有效传递以及地下一层与首层

结构刚度比 [1]，充分约束上部塔楼的变形反应。（图2）

图2 地下室墙体增设示意图

为明确结构真实的嵌固情况，有针对性地采取加强措施，我们进行了如下几种模

型的分析：（表1）

模型A：单体模型，嵌固于地下室顶板，仅考虑塔楼影响范围内的竖向构件，地

下室顶板整层为弹性膜单元，其它层楼板刚性（非强制），作为对比的基础模型。模型B：整体模型，嵌固于地下室顶板，顶板整层为弹性膜单元，其它层楼板刚

性（非强制），分析顶板实际开洞的影响。

模型C：整体模型，嵌固于地下一层底板，顶板和地下一层底板整层为弹性膜单元，其它层刚性（非强制），分析改变嵌固端位置后单体动力特性变化。

表1：模型分析

由三种模型的计算结果比较，三种模型周期计算结果基本一致，主要控制参数无

实质性改变，三者相当接近。说明经过加墙厚的模型在顶板处的大洞口对上部结

构的自由振动特性没有实质性的影响。

2.地下室顶板位移和应力分析

地下室顶板能否作为嵌固端，还要观察顶板在中震（αmax=0.23）作用下的应力。我们采用了midas gen软件对地下室顶板的应力进行了分析，图4~图5给出了地

下室顶板在X向地震作用下的位移和应力图:

图4 X向地震作用下地下室顶板水平位移图5 X向地震作用下地下室顶板应力

云图

图示结果表明，在中震作用下，除个别边界部位及楼梯电梯洞口边稍有应力集中

之外，大部分区域应力分布较均匀，对下沉广场达洞口周边的影响不大，最大主

拉应力σ=2.0Mpa

不产生裂缝。结合竖向荷载分析，只要在顶板内配置足够的钢筋，可实现地下室

顶板中震弹性的抗震性能目标。楼板和竖向构件的弹性变形引起的层间水平位移

约为0.9mm。层间位移角约1/6066。Y向地震作用下，最大水平位移约为

0.56mm。弹性层间位移角约1/10714，而且，等位移曲线明显向外衰减，说明地

下室对上部结构的嵌固效果较好。

四.结论

经过以上计算和分析，通过在洞口附近加设适当的剪力墙约束上部结构的变形保

证水平力的传递，合理的计算分析地下室顶板的开洞对水平力传递的影响以及上

部结构变形的影响；适当的加强开洞附近的楼板设计和构造保证水平力的有效传递，对于地下室顶板大开洞的工程，取地下室顶板作为上部结构的嵌固端是可行的。

对于大底盘多塔楼的工程遇到类似情况时，依然可以参照本文的分析思路进行设计，选取地下室顶板作为上部结构的嵌固端，这样能够有效减少设计过程中的工

作量，也是符合工程的实际受力情况的。

参考文献

[1]《上海市建筑抗震设计规程》DGJ08-9-2003，主编单位：同济大学，批准部门：上海市建设和管理委员会，施行日期：2003年11月1日

[2]《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010，主编单位：中华人民共和国住房和城乡建设部，中国建筑工业出版社,施行日期：2010年12月1日