高层建筑结构嵌固端设计之浅析

蓝善荣

摘要：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。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。高层建筑结构嵌固端的设计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，因此本文就着重论述了高层建筑结构嵌固端设计的一些要点，旨在提高建筑质量，促进建筑业健康发展。

关键词：高层建筑结构；嵌固端设计；地下室；地基

前言

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。因此，我们应做好高层建筑结构嵌固端设计，以减少误差，保证工程质量安全。

1、高层建筑结构嵌固端设计的必要性

高层建筑一般都帶有地下室，嵌固端的位置决定了整体建模分析时需要与上部结构整体建模的最少的地下室的层数，带地下室高层建筑结构设计时，一般有分离式模型和整体式模型两种模型可供选择。当采用分离式模型时，可以以确定的嵌固端位置将结构分为两个独立的模型，分别进行计算分析和设计，这种模型在带大底盘地下室的多塔结构设计中经常采用；而整体式模型则是无论嵌固端位置位于何处均将所有地下室连同上部结构一起建模分析，因为实际工程的上下部结构的变形是协调的，而且整体式模型可以考虑地下室外围回填土对结构的实际约束作用，所以一般来说采用整体式建模能够获得更加真实的结构位移场和内力，工程设计实践中带地下室高层建筑结构建模分析时也大多都采用整体式模型。我国高层建筑结构设计实践中最常采用的结构设计软件是中国建筑科学研究院PKPM系列软件的SATWE空间分析软件，该软件提供了嵌固端所在层号的参数用于考虑嵌固端的作用。查看SATWE软件说明书可以知道，嵌固端的位置需要人为判断，程序只按照指定的嵌固端位置调整相关位置处的内力或者确定相关的构造措施。从中可以看出确定了嵌固端的位置，其实主要是确定了该位置处的一系列构造措施，例如剪力墙底部加强部位的高度；嵌固位置处的强梁弱柱及嵌固层楼面的各种构造要求等等。也就是说工程师要自己根据现行规范和已有的工程经验来判断嵌固端的位置，如果已经选定了嵌固端，该位置处就应该按照规范要求采取各种构造措施，创造条件使得该位置在地震作用下能真正起到对上部结构的嵌固作用，包括破坏时嵌固位置处塑性铰出现在柱根部及可靠地传递水平地震作用等。

2、高层建筑结构嵌固端设计设置问题

2.1 高层建筑地基结构埋深设计。结构的荷载总是向下作用于地面的，而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系，所以，在建筑设计的方案阶段，就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。对于低层、多层和高层建筑，竖向和水平向结构体系的设计基本原理都是相同的，但是，随着高度的不断增加。竖向结构体系成为设计的控制因素，其原因有两个：较大的垂直荷载要求有较大的柱、墙或者井筒；侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多。与竖向荷载相比，侧向荷载对建筑物的效应不是线性增加的，而随建筑高度的增高迅速增大，例如，在所有条件相同时，在风荷载作用下，建筑物基底的倾覆力矩近似与建筑物高度的平方成正比，而其顶部的侧向位移与高度的四次方成正比，地震的作用效应更加明显。在高层建筑中，问题不仅仅是抗剪，而更重要的是整体抗弯和抵抗变形，可见，高层建筑的结构受力性能与低层建筑有很大的差异。

2.2 单层地下室结构嵌固端设计。高层建筑采用天然地基筏板基础或桩一筏基础时，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。

2.3 高层建筑结构地下室顶板投影面积比例设计。当首层作为嵌固端的结构时，高层塔楼在地下室顶板上投影面积比例大小对其有很大的影响。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；但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。

3、高层建筑结构嵌固端设计条件

3.1 不设地下室时的条件。当建筑基础持力层较浅或者为小高层时，通常会不设地下室，但从抗震角度考虑是不宜提倡的。不管是采用天然地基基础或桩基础，都是以基础（承台）面作为结构嵌固端，且必须在该标高处的纵横方向设置刚度较大的基础梁加以连结，故首层层高应从基础面算起。若基础（承台）面标高与首层标高有一定距离而不设基础梁连结或其刚度过小，则地面标高处应设有刚性地面来作为结构嵌固端，首层层高可从地面层算起。若不设刚性地面，则上部结构无从形成嵌固端，也即结构计算简图不成立，设计上显然是不允许的。

3.2 设地下室时的条件。高层建筑把嵌固端放在地下室顶板位置时，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；地下室顶板结构应为梁板体系，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；地下室要有良好的侧限，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；地下一层的抗震等级应按上部结构采用，地下一层以下结构的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级，地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积除应符合计算要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1 1倍；地下室中超出上部主楼范围且无上部结构的部分，其抗震等级可根据具体情况采用三级或四级，9度抗震设计时，地下室结构的抗震等级不应低于二级。

4、结束语

总之，《抗震规范》规定当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下一层的抗震等级应与上部结构相同；当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，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二倍。因此，应综合考虑严格设计嵌固端，以保障高层建筑质量。

参考文献：

[1] 张朝云，带地下室高层建筑结构嵌固端的选择及相关问题研究[D]，重庆：重庆大学，2008

[2] 刘伟琼，关于高层建筑结构设计探析[M]，建筑技术，2011（3）