本站原创摘 要 ：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,正确选取结构嵌固端及确定相应的措施,对于高层建筑结构有重要的意义.在此对结构嵌固端的选取作进一步探讨,并阐述了嵌固端的选取如何在PKPM 中实现.
关 键 词 ：高层建筑；地下室；嵌固端
引言：
嵌固端的选择是随着高层建筑的出现而产生的.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,各杆件的内力包络图也将不同,这直接导致不同的配筋结果,将对整个建筑的安全产生影响.因此有必要对结构嵌固端的选取作进一步探讨,并由此引申出若干相关的技术问题.
1.规范中结构嵌固端的选择条件及在实际工程中的引申
在现行的规范中,对于带地下室结构的嵌固端的选择以及其相关问题有如下一些规定：
《建筑抗震设计规范》第6.1.14条规定：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%；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,不应少于地上一层对应柱每侧纵筋面积的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第6.2.3、6.2.6、6.2.7条的规定,位于地下室顶板的梁柱节点左右梁端截面与下柱上端同一方向实配的受弯承载力之和不小于地上一层对应柱下端实配的受弯承载力的1.3倍.高规第5.3.7条规定：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.但是《建筑结构抗震规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》对于其理论背景,定量分析以及较大面积地下室情况未做相应的分析和阐述.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申出若干相关的技术问题及其正确的设计方法,以下将分别探讨.
1.1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,其构件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.
1.2投影面积比例
高层塔楼在地下室顶板上的投影面积比例大小对首层作为嵌固端的结构有着不同的影响.当该比例接近1时,若首层楼面符合作为嵌固端的其它条件,则该首层作为结构嵌固端就毫无疑问了.当上述投影面积比例<<1时,说明地下室侧限远离塔楼,塔楼发生的侧向位移将波及首层楼面并使其发生变形,即使变形量很小,但严格说来首层作为嵌固端的刚度必然小于前一种情况,且变形又增大了上部结构侧移的计算值,同时首层骨架构件也会由于自身的变形而产生附加内力.作为有经验的结构工程师,在实际设计中都会根据工程实际情况予以鉴别并作出相应的结构处理.
1.3计算要求
在结构计算时分两步走,第一步（确定嵌固部位时的计算）,先检测定结构的嵌固部位在基础顶面,不考虑回填土对地下室楼层侧向刚度的贡献,计算基础顶面以上各层结构自身的楼层侧向刚度比（对大底盘、多塔楼结构,应按相关范围考虑）；第二步（嵌固部位确定后的计算）,根据上述第一步计算的楼层侧向刚度比值确定上部结构在地下室的嵌固部位,并将计算模型中的嵌固部位调整至已确定的嵌固部位楼层,同时考虑回填土对地下室楼层侧向刚度的影响,进行结构及构件的设计计算.将结构的嵌固部位置于地下一层地面时,仍应考虑地下室顶板对上部结构实际存在的嵌固作用,应取不同嵌固部位（地下一层的地面和地下一层的顶面）分别计算,配筋取大值.另外需要特别注意的是只有地下室才具备对上部结构嵌固的基本条件.上部其他楼层,即便满足刚度比要求也不能成为其上部结构的嵌固部位,而只能作为刚度突变楼层考虑（如大底盘,多塔楼结构的裙房顶）.
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及ANSYS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、TAT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检测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,见图1.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.但图2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,见图2.
3总结语
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,因此重视结构嵌固端的确定并非微不足道,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.