关于高层建筑结构设计中地下室嵌固作用的思考
来源:用户上传
作者:
[摘要] 带地下室的高层建筑结构在设计、分析时通常简化考虑上部结构、地下室和回填土的相互作用。地下室结构的抗侧刚度及构造等满足我国抗震规范要求时，地下室顶板可作为上部结构的嵌固端。该文分析了地下室对上层结构的嵌固作用以及在高层建筑中的意义。
[关键词] 高层建筑；结构设计；地下室；嵌固
引言
改革开放以来，随着我国经济的快速发展和城市化水平的迅速提高，各种功能的高层及超高层建筑如雨后春笋般在神州大地拔地而起。由于日益紧缺的土地资源再加上建筑功能和结构抗力方面的需要促使建筑物不断向地上和地下扩展，高层建筑对土地资源的集约化利用效益日渐凸显使得设有地下商场、停车库及人防工程等带地下室的高层结构得到广泛应用，这对人均耕地十分匮乏的我国来说具有重要的现实意义。出于地基承载力和结构稳定等多方面的考虑，多数高层建筑均带有一定层数和深度的地下室。
一、地下室嵌固作用的意义
随着我国经济发展和城市化水平的提高，日益紧缺的土地资源再加上建筑功能和结构抗力方面的需要促使建筑物不断向地上和地下扩展，使得设有地下商场、停车库及人防工程等带地下室的高层结构得到迅速发展。由于带地下室高层结构嵌固端的位置与地基约束作用有关，因此合理考虑地基回填土的约束作用对于保证计算结果的准确性具有重要意义。高层建筑往往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。在高层结构分析时，假定地下室顶板或底板嵌固端给计算结果带来的误差，会造成浪费或致计算结果偏于不安全。假定室外地坪为固端时，若实际地基回填土的约束作用非常弱，能导致实际的侧移远大于计箅值，使设计结果于不安全。假定地下室底板为嵌固端，且不考虑地基回填土的约束作用，计算结果虽然偏于安全的，但如果误差过大，会造成无谓的浪费。通过理论研究，带地下室的高层建筑抗震设计应考虑上部结构、基础和地基的共同工作。研究结果表明，在地震作用下地基回填土与地下室的相互作用会减小结构的侧移；在用有限元软件对震动台试验进行建模时，采用非线性弹簧单元来模拟地基回填土的水平约束作用，得到的计算结果与试验结果符合较好。地下室对上部结构嵌固作用的主要分析方法在结构设计中对地下室的高层建筑计算模型主要有以下几个核心问题：
1 如何合理考虑地下室的刚度；
2 如何正确反映回填土对地下室的约束；
3 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。
二、嵌固端的选取及相关问题
高层建筑结构嵌固端的确定对结构计算结果的真实性和准确性有很大的影响，选取结构嵌固端是结构设计中的一个重要环节。关于高层建筑结构嵌固端的选择进行了探讨，并引伸出若干值得思考及解决的相关问题。
1.引言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；设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。
2．高层建筑的结构嵌固端通常是选择在地面标高处，但地面标高处要真正成为结构嵌固端是有条件的，而且在输入首层计算高度时还有许多讲究。(1)地下室顶板标高与室外地坪的高差不能太大，极端的情况如半地下室则首层楼面一般不能成为结构嵌固端，除非其高差仅为1―3级台阶高度时才可能考虑； (2)地下室顶板结构应为梁板体系(即不可设计成无梁楼盖)，且该层楼面不得留有大孔洞，楼面框架梁的抗弯刚度要足够大，楼板也要有相当厚度；(3)地下室侧壁要有良好的侧限，即必须与“地表”有良好的接壤，上述半地下室顶板不能成为结构嵌固端的原因就是不满足此条件。
3.与嵌固端相关的技术问题结构嵌固端的形成或者说上部结构对嵌固端的要求，在工程设计中还可引伸出若干相关的技术问题及其正确的设计方法。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，但这一规定仅与建筑物的总高度有关，而与其它因素无关。 但我们在认真思考后发现基础埋深除了与建筑物总高度有关外，还应与控制高层建筑体型重要指标的高宽比风力有关。基础埋深还应与高层建筑的裙房底部基座宽度、地下室底盘宽度等因素有关，对地下室面积仅为塔楼投影面积者应偏于严格，相反对没有裙房或地下室面积大于塔楼投影面积者则可略为放松。
三、地下室结构的建议分析方法
1. 规范(程)中的建议
文献[1]规定：地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，应避免在地下室顶板开设大洞口，并应采用现浇梁板结构。其楼板厚度不宜小于180mm，混凝土强度等级不宜低于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％；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。地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积除应满足计算要求外，不应小于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍，地上一层的框架结构柱和抗震墙墙底截面的弯矩设计值应符合相关规定，位于地下室顶板的梁柱节点左右梁端截面实际受弯承载力之和不宜小于上柱下端实际受弯承载力。
文献[2]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宜小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。
另外，文献[3]建议，如遇到较大面积地下室而上部塔楼面积较小的情况，在计算地下室相对刚度时只能考虑塔楼及其周围的抗侧力构件的贡献，塔楼周围的范围可以在两个水平方向分别取地下室层高的2倍左右。其中，地下室层高可取地下一层的层高。文献[1～3]，均未对这些规定的理论背景做深入介绍，更没有针对此类问题的定量分析研究成果。在具体的工程设计中，嵌固部位究竟取在何处在很大程度上取决于设计者对条文的理解和对结构力学概念上的把握。在力学模型中如何实现这种“嵌固”条件，值得商榷。
2.建议的分析方法
我国设计行业常用程序Sat we软件中对带地下室结构分析模型的确定原则、分析参数的选取等，对设计人员具有重要的指导意义。目前，对带地下室高层建筑结构分析模型最常用的简化方法主要有：(1)限定水平位移法：该法在建立计算模型时将上部结构与地下室作为整体考虑，嵌固端取在基础底板处，并根据地下室结构与相邻卜部结构楼层侧向刚度比的大小，选择合理的位置限定其水平位移为零。(2)弹簧刚度法：该法是在地下室的每层楼板处设置一水平方向的弹簧，利用弹簧刚度来反映回填土对地下室水平位移的约束效应。Sat we程序中需要输入的“回填土对地下室约束作用的相对刚度比”即指回填土的约束刚度与地下室本身抗侧移刚度之比。相对刚度比为零，表示不考虑回填土的约束刚度；相
对刚度比为5.0或更大，则分析结果与嵌固地下室各层水平位移的结果一致。对于一般工程，相对刚度比取2.0到4.0之间较为适宜。本文认为，如何正确理解文献[1]或文献2]中的“嵌固”一词对结构简化分析结果影响共巨。一般情况下，地下室竖向构件和梁板等对上部结构的约束刚度一定是有限的。即便地下室抗侧刚度与上部结构抗侧刚度之比满足规范中嵌固条件的要求，单独建立上部结构的计算模型时，其底层竖向构件下端的约束也不宜假定为固端约束。文献[1]或文献2]中的“嵌固”一词应理解为仅限定了水平位移。本文认为，对于满足文献[2]或文献[3]中嵌固条件的高层建筑结构而言，为了在设计、分析中简化结构模型，近似地考虑地下室结构对上部结构的约束作用，在建立上部结构单独的计算模型时其底层竖向构件下端节点应设为简支端附加转动弹簧的约束。转动弹簧的刚度则应按照与其相连的地下室构件的转动刚度计算确定。这种简化计算模型能够较为真实地反映底部节点的约束条件，考虑回填土和地下室结构构件对上部结构整体刚度的贡献。
四、结束语
本文分析了地下室对上层结构的嵌固作用以及在高层建筑中的意义。介绍了我国相关设计规范对带地下室的高层建筑结构分析模型方面的规定，比较了目前设计中对地下室、回填土和上部结构相互作用方面常用的简化方法。针对地下室结构抗侧刚度和构造措施等满足相关规范要求的高层建筑结构，在简化分析与结构设计时，建议将地下室顶板作为上部结构的嵌固端，且上部结构底端的约束应考虑为简支端与转动弹簧组合的约束模式，弹簧的转动刚度应按照地下室相连构件的刚度确定。以此方法建立的计算模型与实际约束条件更加吻合，能够较为真实地反映地下室。地基回填土的弹性刚度及地下室的埋深对结构的侧移和内力响应具有显着影响，在工程设计中应考虑地基同填土约束作用，回填土等对上部结构抗侧刚度的贡献。
[参考文献]
[1]GB 50011―2010，建筑抗震设计规范[S]．
[2]JGJ 3―2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S]．
[3]DJ 08―9―2003，建筑抗震设计规程[S]．
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-558723.htm
