浅谈高层建筑结构嵌固端部位的选取

陈炜琴

高层建筑结构的嵌固部位是结构计算模型中的一个重要假定，嵌固部位选取的正确与否直接关系到结构计算模型与结构实际受力状态的符合程度，构件内力及结构侧移等计算结果的真实性和准确性。因此正确选取嵌固部位并对其结构布置和配筋构造以及其他构造措施等方面给予一定的必要保障，是结构设计的一个重要环节，现提出来与大家共同探讨。

1 嵌固部位的概念

嵌固部位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，并将上部结构的剪力全部传递给下部结构，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应加以控制，并通过对结构刚度和承载力的调整，使塑性铰出现在预定的部位。

2 嵌固部位选取的条件

2.1 当高层建筑有地下室时

1)地下室顶板与室外高差不能太大。高层建筑由于基础埋置深度较大，一般均设有地下室。嵌固部位一般设在地下室顶板即地面标高处，但地下室顶板标高与室外标高高差较大时，地下室顶板也不能选取为嵌固部位，其高差一般为1个～3个台阶为宜。目前设计的阳泉煤业集团有限责任公司馨辰大厦，地下一层(相当于大地盘)，地上分三部分，相当于三个塔楼，主楼为32层，其中1层～7层为办公楼，其余为住宅。主楼设有人防层，为剪力墙结构，副楼分别为七层和三层框架结构。地上部分根据结构形式、立面高差等因素设置了沉降缝而将结构分成了相对独立的三个单元，室内外高差600。综合考虑选取地下室顶板作为上部结构的嵌固端。2)地下室侧壁要有很好的侧限，也就是与“地球”有很好的接壤。半地下室顶板处不能作为嵌固部位就是这个原因。实际工程中由于地形的影响，出现了错层，错层部位的基础部分水平构件和竖向构件应连成整体从而不考虑侧限问题。3)地下室顶板结构应设计成梁板结构体系(不能设计为无梁楼盖)。

2.2 当高层建筑无地下室时

1)当基础埋置较浅时，无论采用天然地基基础还是桩基础，都是以基础(承台)顶面作为嵌固部位，而且在此标高处纵横两个方向应设刚度较大的梁连接，此时首层层高计算高度取至基础(承台)顶面。2)当基础埋置较深时，通常在地面标高处设刚性地面作为结构嵌固部位，首层的计算高度取至刚性地面。基础(承台)顶面与地面之间高差较大时，如果首层计算高度还是取至基础(承台)顶面，这样层高过大，墙、柱截面相应也比较大，容易形成薄弱层，这样做既不经济也给结构带来了不利。

2.3 嵌固部位的刚度比要求

《建筑设计抗震规范》6.1.14条和《高层建筑混凝土结构技术规程》5.3.7条均规定:“地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，结构地上一层的侧向刚度，不宜大于相关范围地下一层侧向刚度的0.5倍。”地下室嵌固部位结构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。规范提供了三种楼层刚度比的计算方法，分别是剪切刚度比、剪弯刚度比、地震力与相应层间位移比，建议在确定嵌固部位计算时，采用剪切刚度比的计算方法。一般情况下地下室最高一层结构都要加强，地下室外墙可以参加地下室侧向刚度的计算，因此地下室顶板作为上部结构的嵌固部位是容易做到的。当地下室是上部多塔的大底盘时(没有裙房)，地下室顶板作为上部结构嵌固部位的条件是可以的，地下室的整体刚度与相邻上部所有塔楼的总刚度比不应小于2。

作为上部结构的嵌固部位，下部结构必须具有很大的侧向刚度，保证柱根之间不会产生相对位移并能承受或平衡柱根弯矩。

2.4 地下室一层顶板作为嵌固部位的有关构造条件

1)地下室一层的抗震等级应与上部结构相同，地下室一层以下楼层结构的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。2)地下室顶板应避免开设大洞口(地下室顶板必须具有足够的平面内刚度，以有效传递地震基底剪力);地下室在地上结构相关范围(一般可从地上结构(主楼、有裙房时包括裙房)周边外延不大于20 m)的顶板应采用现浇梁板结构，相关范围以外的地下室宜采用现浇梁板结构;其楼板厚度不小于180 mm，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)地下一层柱截面每侧纵向钢筋不应小于地上一层柱对应纵向钢筋的1.1倍，且地下一层柱上端和节点左右梁端实配的抗震受弯承载力之和应大于地上一层柱下端实配的抗震受弯承载力之和的1.3倍(用于框架结构)。特别注意当框架柱嵌固在地下室顶板时，位于地下室顶板的梁柱节点应按首层柱的下端为“弱柱”设计，即地震时首层柱底先屈服、出现塑性铰，但地下室一层对应的框架柱不应屈服。为实现首层柱底先屈服的设计概念，规范提供了两种方法:a.按下式复核:，设计时梁柱纵向钢筋增加的比例也可不同，但柱的纵向钢筋至少比地上结构柱下端的钢筋增加10%，可满足上式的要求。其中为节点左右梁端截面逆时针或顺时针方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值之和，根据实配钢筋面积和材料强度标准值确定为地下室柱上端与梁端受弯承载力同一方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值，应根据轴力设计值、实配钢筋面积和材料强度标准值等确定;为地上一层柱下端与梁端受弯承载力不同方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值，应根据轴力设计值、实配钢筋面积和材料强度标准值等确定。b.当梁按计算分配的弯矩接近柱的弯矩时，地下室顶板的柱上端、梁顶面和梁底面的纵向钢筋均应增加10%以上。4)地下一层抗震墙墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积，不应少于地上一层对应墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积(用于剪力墙结构)。

2.5 地下室其他楼层作为嵌固部位的条件

1)地下一层往下各楼层的刚度递增，当楼层的剪切刚度大于其上一层刚度的2倍时，则该楼层顶板可作为嵌固部位。2)若地下室某楼层按人防要求设计，则人防地下室顶板可作为嵌固部位。3)地下室底板(基础)刚度较大时，如箱形基础、筏形基础，其基础底板可作为嵌固部位。

综上所述，嵌固部位的选取需结合工程实际情况而定，如地下室是上部多塔的大底盘时，一般选取地下室顶板作为上部结构的嵌固部位;如地下室设有人防层，人防层顶板可作为上部结构的嵌固部位;如上部结构为单塔或无地下室时，一般取基础顶面作为上部结构的嵌固部位等。

3 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和构造措施获得准确的计算结果，但我们期望的是计算结果能较真实地反映结构的实际情况。为达到这一目的，结构计算时输入正确的参数和数据固然重要，但结构嵌固部位的正确选取对结构计算结果的影响也相当大，因此正确选取嵌固部位并对其结构布置和配筋构造以及其他构造措施等方面给予一定的必要保障，是结构设计的一个重要环节。

［1］ GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.

［2］ JGJ 3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.

［3］ 庞 莹.高层建筑体型设计与抗震性能研究初探［J］.山西建筑，2010，36(6)：58-59.