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探究高层建筑结构嵌固端的选取

【摘要】在高层建筑结构设计中,无论选择哪个部位作为结构嵌固端,都可以通过结构计算程序获得准确的计算结果,但我们期望的是计算结果较真实地反映结构的实际情况.为了达到这一目的,结构计算时输入正确的参数和数据固然相当重要,但结构嵌固端的确定对结构计算结果的影响也相当大,且在嵌固端确定后设计中如何保证其成为真正的嵌固端,还有许多细节有待研究和完善,这是结构设计人员不能忽视的重要环节.

【关键词】嵌固端；选取；高层建筑；结构设计

嵌固端就是预期塑性铰出现的部位,结构下部的嵌固部位应能限制结构上部构件在水平方向的平动位移和转角位移,并将上部的结构剪力全部传给下部结构,因此对作为主体结构嵌固部位的地下室楼层的整体刚度和承载力加以控制,使塑性铰出现在预定的部位.

在对高层建筑进行结构分析计算之前,首先必须确定结构嵌固端的所在位置,因为不同的嵌固端位置将直接影响整个体系的自振周期、地下室抗震等级、水平荷载下的侧向位移及地震作用分配和内力控制截面的变化,直接导致构件不同的配筋结果,将对整个建筑的安全产生影响.因此对结构嵌固端的选取作进一步探讨.

1.与嵌固端相关的技术问题

1.1 大底盘多塔楼大底盘多塔楼大多为商住综合体,而且由于商用及居住性质不同,对柱网的要求也不同,故通常需设置结构转换层.当大底盘的商用部分层数不多（如仅1-2 层）,且结构转换层设于大底盘的屋顶标高处时,塔楼的嵌固端就可考虑取在大底盘的屋顶处,至少在塔楼初算时可以如此假定.这一考虑基于以下两点：①既然属大底盘,其楼层面积肯定大于塔楼的投影面积,加上大底盘屋顶设置转换层,故大底盘的楼层平面刚度远大于塔楼的楼层刚度；②转换层之上通常为剪力墙结构,为使转换层上下部的侧向刚度相近,大底盘部分肯定要将原位剪力墙增厚或增加新的剪力墙,从而使塔楼下的大底盘部分具有足够的侧向刚度.因此大底盘多塔楼建筑均以整体结构进行计算,其嵌固端也不像结构初算阶段选择在大底盘屋顶标高处.

1.2 首层楼面的活载作为结构嵌固端的首层楼面（地下室顶板）

正常使用时的活载一般不太大,即使作为商业用途,其活载也仅为3.5kN/m2,但设计中要考虑施工过程中可能产生的施工荷载,对于首层梁板构件取活载8.0-10.0kN/m2 则往往是必要的.当高层建筑主体结构建至2 层楼面时,首层地面必然就成为施工场所,或用于堆放材料,或用于钢筋加工,甚至作为载重汽车的行驶停放场等,即使是临时荷载,其楼面活载也就有必要取较高值（该活载值仅作用于该层梁板,并不需传给竖向构件的墙柱）.

1.3 单层地下室

当高层建筑仅设单层地下室且底板采用天然地基筏板基础或桩筏基础时,通常选择基础底板而非首层作为结构嵌固端,这有利于充分利用其基础的“无限”刚度,为首层楼面的灵活结构选型创造条件,即使是首层楼面留有大孔洞,或选用无梁楼盖结构,都不影响结构计算的准确性.此外,规范规定地下室负一层的抗震等级与上部结构必须一致,以基础底板作为嵌固端不会造成地下室结构造价的提高,反而可能取得较好的经济效益.即使单层地下室底板是以桩为基础的普通梁板结构,一般情况下仍然取底板处为结构嵌固端,唯一例外的是地下室作为抗爆级别较高的防空地下室时,其顶板通常具有作为结构嵌固端的刚度,因此可取其作为上部结构的嵌固端.

1.4 高层建筑的基础埋深

在研究探讨高层建筑的结构嵌固端时,必然牵涉到其基础埋深问题,高层建筑基础要具有一定的埋置深度,首先是为了保证结构的整体稳定（包括抗滑）,其次有利于减弱地震反应.规范对高层建筑的基础埋深有一量化规定,即“天然地基或复合地基基础,可取1/15,桩基础可取1/18”,但这一规定仅与建筑物的总高度有关,而与其它因素无关.

2、地下室嵌固在设计软件中的实现目前,国内常用的结构设计软件大致可以分为大型通用有限元分析软件SAP2000 和基于杆件模型的三维分析软件如中国建筑科学研究院研发的PKPM 系列软件中的SATWE 等.工程应用中常用类似PKPM 中的SATWE 进行结构设计与校核,使得结构设带地下室的高层建筑结构的整体模型中的各种计算要素及假设如何在设计软件中主要通过以下几种方法实现：

2.1 限制位移法

SATWE：输入地下室层数,将地下室信息中“回填土对地下室的约束相对刚度比”填为地下室层数参数.地下室层号从下往上数,该参数若为-2,表示嵌固在地下室倒数第2 层的顶板上；若为-1,表示嵌固在最底一层地下室的顶板上.2.2 弹簧刚度法

SATWE：无需直接输入水平弹簧刚度的真实值,而是间接要求输入“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.

（1）以地下室底板作为嵌固端,取相对刚度比为0.这种方法相对比较保守,增加了结构的计算高度,没有考虑地下土体对地下室的侧面嵌固作用,计算模型与实际情况有所误差.（2）以地下室底板作为嵌固端,取相对刚度比为2 ～ 4,一般取3,此时相当于将地下室水平位移约束70% ～ 90%.这种方法对于地下室外的土压力有一定的考虑,但是由于影响土对地下室的约束作用的因素很多且十分复杂,很难具体确定约束作用的大小,也很难量化,所以这种方法不够精确.但地下室顶板为嵌固端示意图是相对于不考虑土压力或者认为土压力无限大的情况,这种方法稍好.（3）以地下室顶板作为嵌固端,取相对刚度比为5 或者更大,则表示回填土约束刚度无限大,相当于地下室完全嵌固模型.

结语：

综上所述,高层建筑在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,而嵌固端的选取却面临着各种不同情况,如不设地下室但基础埋深较大；没有地下室但其层数或多或少,且基础形式不同等.根据以上情况正确选取其结构嵌固端,是高层建筑结构计算模式中的一个重要假定,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.

参考文献：

[1] 潘峰. 高层建筑结构设计的问题分析及对策探讨[J]. 江西建材,2017,(15).

[2] 雷鹰. 高层建筑结构概念设计中相关的几个问题应用分析[J]. 科技展望,2017,27(21).

[3] 王延该. 关于多层框架结构嵌固端位置选取对结构计算的影响[J]. 中华建设,2017,(05).

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