2018关于高层建筑结构设计中地下室嵌固作用的思考
【摘要】随着我国经济的发展，高层建筑发展迅速，而高层建筑上部荷载大，基础埋置深度也较深，地下室的嵌固作用直接影响建筑物的正常使用与造价。本文对地下室嵌固作用进行了探讨。http://
Abstract: With the development of our national economy, high building development is rapid. The upper loads of high building is larger, buried depth also is deeper, the basement into solid role directly affects the normal use of buildings and cost. This paper has discussed the role ofthe basement embedded solid probes.
【关键词】高层建筑结构设计地下室嵌固作用
Key Words: high rising building structure, design, basement, embedded solid role
中图分类号：TU318 文献标示码：A文章编号：
前言
为了增加有效使用面积，将停车库转入地下，所以这些高层建筑建筑通常都带有地下室。对于这类工程，如何把握地下室的受力情况，发挥嵌固作用是摆在广大工程技术人员面前的重要问题。
一、对嵌固层的认识
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。
二、嵌固水平位移法
将上部结构与地下室作为一个整体考虑，嵌固部位取在基础底板处，并根据地下室结构与相邻上部结构楼层侧向刚度比的大小，确定合适位置限定其水平位移为零。楼层侧向刚度的计算方法有三种，分别是剪切刚度、剪弯刚度和楼层剪力与层间位移的比值。三种方法含义不同，计算结果差别也较大。当进行方案设计时，地下室侧向刚度比可用剪切刚度比估计。施工图设计时，取楼层剪力与层间位移的比值计算。
侧向刚度的计算主要有三种方法：
1）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
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。
3）剪切刚度
其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。
弹簧刚度法。将上部结构与地下室作为一个整体考虑，嵌固部位取在基础底板处，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。SATWE软件设有参数“回填土对地下室作用的相对刚度比”，其含义就是回填土的约束刚度与地下室本身抗侧移刚度的比值，若取值为0，表示不考虑回填土的约束作用；若取值在l到5之间，表示回填土具有一定的约束作用，取值越大约束作用越强；若取值为负数121，表示地下室有嵌固部位，其下部的m层无水平位移。
三、 结构软件对地下室结构的处理方法
在进行上部结构计算时，首先要确定其嵌固部位，嵌固部位又直接影响到基础的弯矩，所以它对于结构分析和基础设计都是非常重要的，并直接关联建筑物的经济性和安全性。结构的嵌固部位是计算模型中的一个重要假定，它是指结构预期塑性铰出现的位置。嵌固部位的正确设定直接关系到计算模型与实际受力状态的符合程度，构件内力与侧移等计算结果的准确性。嵌固部位应能限制构件在两个水平方向的平动位移和绕竖轴的转动位移，并能传递上部结构的地震剪力。
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 S A T WE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
这种方法没有考虑地下土体对地下室的侧面嵌固作用，增加了结构的计算高度，计算模型与实际情况有所误差，一般都不采用。
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
这种方法对地下室外的土压力有一定的考虑 ，但是由于土堆地下室的约束作用的影响因素十分复杂．难以确定具体约束作用的大小，这种方法随不够精确，但是相比前一种方法稍好，也是目前工程界应 用最多的方法。
3、取地下室嵌固端在地下室顶板处，地下室结构与上部结构分开计算，或者整体计算，但是相对刚度比取5或者更大，这种方法地下室相对于水平位移和竖向位移完全被嵌固，导致结构的刚度有所增加，从而与实际情况有所差异。
四、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：
1、楼板厚度不宜小于 1 8 0 mm。
2、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％。
3、顶板不宜开大洞。
4、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，而不是梁柱节点两侧的梁出现塑性铰，通常采用提高地下室顶板梁受弯 承载力且增大地下室柱顶的受弯承载力的方法来考虑柱底的嵌固。
地下室侧向刚度与上部楼层结构侧向刚度比对地下室嵌固作用的大小有很大的影响，通过建立规则框架模型，改变地下室结构的侧向刚度，分析结构的动力、内力和变形特性。当侧向刚度比小于2时。考虑地下室回填土作用与不考虑地下室回填土的约束作用误差比较明显，当侧向刚度比大于2时，两种建模方式计算结果相对误差较小，说明此时地下室建模时，嵌固对结构性能计算结果影响不大，验证了规范规定当地下室侧向刚度与上部结构侧向刚度比大于2的条文规定。
随着地下室顶板厚度的增大． 嵌固端选取在底部还是顶部两种模 型内力误差值减小，然而由于两种模型质量和刚度上的差异，若要做到完全无误差，顶板需要达到面内面外完全无限刚度，在实际中是不可能的，所以规范建议板厚取1 80mm以上，且需要注意柱内力的调整，同时规定顶板的开动率也是为了保证顶板具有一定的刚度。
结语
总之，高层建筑上部荷载大，基础埋置深度也较深，地下室的嵌固作用直接影响建筑物的正常使用与造价，而高层建筑地下室嵌固作用综合性很强，涉及到的内容繁多而复杂，有些问题至今尚未得到很好的解决，设计时应正确地把握结构模型进行分析计算，并采取适用的构造措施，保证建筑的经济、安全。
参考文献
陈希昌．高层建筑上部结构与基础及地基共同作用问题研究．重庆建筑大学，2005．
李云贵．上部结构与地下室共同工作分析及地下室设计SATWE中的实现.建筑结构学报，2005，26:115―118.
GB50007--2002，建筑地基基础设计规范．北京：中国建筑工业出版社，2002．
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