结构嵌固端的确定及相关设计要点

林功丁

(福州市建筑设计院 福建福州 350001)

引 言

结构嵌固端是结构分析的主要计算条件之一，也是落实抗震措施的重要部位。对于没有地下室的建筑，结构嵌固端的位置非常明确，即基础构件的顶部。对于有地下室的建筑，由于计算软件可以进行带地下室的整体分析，在工程设计中如何正确选择结构嵌固端位置，并在该部位合理采取抗震措施显得尤为重要。本文通过对有关规范、规程条文的解读，剖析结构嵌固端的设计概念，提出带地下室结构整体分析时的相关设计要点，以期达到正确把握结构嵌固端设计的目的。

1 结构嵌固端定义及相关术语

力学概念上的嵌固端是指该部位无水平与转动位移，显然基础构件的顶部属于此类嵌固端，一般称为力学嵌固端。带地下室的建筑，当嵌固端不是取在基础构件的顶部而取在地下室顶板或地下室楼板处时，该部位仅限定结构的水平位移，而对其他自由度并不施加任何限制条件，此类嵌固端一般称为计算嵌固端。

对于计算嵌固端，规范、规程均给出了具体的设计控制要求及与此有关的抗震措施。相关的条文内容有，现行的《建筑抗震设计规范》[1](以下简称《抗规》)6.1.3条、6.1.10条、6.1.14条，现行的《高层建筑混凝土结构设计规程》[2](以下简称《高规》)3.5.2条、3.6.3条、3.9.5条、5.3.7条、7.1.4条、12.2.1 条，现行的《混凝土结构设计规范》[3]11.1.4 条、11.1.5条，现行的《建筑地基基础设计规范》[4](以下简称《地规》)8.4.25条等。

条文中涉及到嵌固端的相关术语主要有二个，即嵌固部位与嵌固层。嵌固部位即位于嵌固端下部的部位，嵌固层是嵌固端所在的层。例如嵌固端设在地下室顶板处，地上一层即为嵌固层，如(图1)所示。计算嵌固端所在层，规范条文中一般也称为底层。

图1 嵌固端相关部位示意图(本图摘自文献[6])

值得注意的是，所谓计算嵌固端是基于简化结构计算分析模型并且保证抗震措施到位而提出的。满足一定的设计控制条件的计算嵌固端，即可以作为上部结构力学嵌固端进行上部结构的单独计算，又可以作为设计意义上的嵌固端进行嵌固部位上下结构的整体计算，这就给结构分析工作带来极大的便利。对于复杂结构，往往需要根据工程具体情况分别进行这样两种计算模型的分析计算，在工程设计中予以综合考虑。

2 计算嵌固端的设定与条件

2.1 嵌固端设在地下室顶板处须满足的主要条件

根据规范、规程条文及相关文献，主要条件有以下几点:

(1)地下室必须是四周覆土且回填土满足夯实要求的全埋式地下室。当坡地建筑的地下室为三面覆土一面敞开时，即使地下一层与地上一层的侧向刚度比等条件满足要求，也不能将地下室顶板作为嵌固部位。

(2)地下室顶板避免开设大洞口，地下室在地上结构相关范围内的顶板应采用现浇梁板结构，其楼板厚度与钢筋配置满足构造要求[1][2]。

(3)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[1][2]。

(4)地下一层不能设置转换构件[5]。

(5)地下室顶板与室外地坪高差不能太大，一般宜小于本层层高的1/3。如果高差过大，相当于此处存在一个错层，对水平力传递非常不利[6]。

2.2 地下室顶板满足设置条件时嵌固端的设定

当地下室顶板满足设置条件情况时，嵌固端宜设在地下室顶板处。这样设置，不论是带地下室整体计算还是在嵌固端切开上下部分别计算，计算模型与实际情况都较为吻合，设计概念清楚。由于地上一层为嵌固层，落实相关嵌固层的抗震措施范围小，处理简单。

2.3 地下室顶板不满足设置条件时嵌固端的设定

仅有一层地下室时，嵌固端取基础构件顶部。

当有多层地下室时，如果侧向刚度比不满足条件，地下二层顶板作为嵌固部位即可，不必要再往下延伸，但地下二层顶板须满足嵌固部位的楼板要求。此时也无需进行地下二层与地下一层的侧向刚度比控制，因为地下二层周围土的侧限约束，此处结构已满足限定水平侧移的要求。

如果地下二层顶板还存在大开洞或设有转换构件等问题，则嵌固部位应再往下延伸。

3 带地下室整体分折时的相关设计要点

3.1 嵌固端设在地下室顶板处时上下层侧向刚度比控制要求与计算判别

各种版本标准(包括地方标准)的控制要求不尽相同，如《抗规》和《高规》均要求地上一层与地下一层侧向刚度比不宜大于0.5，而《地规》和《上海市建筑抗震设计规范》[5]则有所放松。本着执行标准从严的原则，我省工程设计时应执行《抗规》和《高规》的规定。由于各版本标准要求不同，所以目前使用的大部分计算软件不会自动确定嵌固端所在部位，须由设计人员自行判别确定。

进行上下层侧向刚度比计算判别时，地下室计算范围可考虑地上结构以外的地下室相关部位。所谓“相关部位”，《抗规》和《高规》的规定略有不同。《抗规》为按地上结构外延不大于20m，《高规》为按地上结构外扩超过地上结构三跨，建议按双控处理。

根据《高规》5.3.7条文说明，应采用剪切刚度进行侧向刚度比判别。以SATWE计算软件为例，计算后可查看SATWE计算软件输出结果WMASS.OUT文件，以文件中的Ratx、Raty指标是否不大于0.5作为判别依据。

3.2 关于回填土对地下室的约束作用

SATWE计算软件提供了两种考虑回填土对地下室的约束作用的方法，分别为指定地下室水平嵌固层法和m值法。

“指定地下室水平嵌固层法”即指定地下室某层没有水平位移，是过去软件常用的方法。

“m值法”即指定土层水平抗力系数，程序通过该系数自动计算每层地下室所受到的土层约束，该约束刚度只与埋深和土质相关，而与结构的自身刚度无关，可以模拟随着埋深增加土的约束作用增强的效果。“m值法”较“指定地下室水平嵌固层法”更为合理，可以体现实际的回填土约束，避免地下室某层出现内力较大突变的情况。SATWE计算软件用户手册[7]建议，m值可以参照《建筑桩基技术规范》(JGJ94－2008)表5.7.5的灌注桩项来取值。在我省的软土地层中，考虑到基坑支护结构的影响和回填土密实度等因素，m值取3～6较为适宜。

m值的大小与嵌固端的设置条件并无关联，同时也不影响SATWE软件计算中地下一层与地上一层侧向剪切刚度比的判别结果。

当侧向剪切刚度比不满足要求，嵌固端不设在地下室顶板时，由于回填土的约束作用在地下室顶板处仍存在或弱或强的被嵌固效果，地震灾害分析报告也表明绝大多数工程的地上一层属于结构的最薄弱部位。所以SATWE软件对于地上一层无论是否嵌固层，均按嵌固层进行设计控制，即满足规范、规程中关于“柱根”、“墙底”等的要求。

如果存在开设地下室中庭、半地下室等回填土约束减小或消失的情况，除嵌固端下移外，尚应在SATWE软件地下室参数“扣除地面以下几层的回填土约束”中填入相应的层数。

3.3 底部嵌固层与相邻上层侧向刚度比要求

《高规》3.5.2条第2款规定，底部嵌固层与相邻上层侧向刚度比不宜小于1.5，否则该层为软弱层。在带地下室的整体分折计算时，如果嵌固层不在最底层，由于嵌固部位不能达到完全力学嵌固要求，有可能出现不满足上述要求的情况，这也是SATWE计算软件对非最底层的嵌固层不按1.5刚度比进行设计控制的原因。针对这种情况，在设计中应单独建立嵌固端以上部分的结构模型，进行底部嵌固层与相邻上层侧向刚度比计算分析，判断底部嵌固层是否为软弱层。

3.4 应注意的几个问题

(1)分别采用振型分解反应谱法、时程分析法、推覆计算法计算时，计算模型的嵌固部位需一致。

(2)在时程分析选择地震波时，宜单独建立嵌固端以上结构模型进行地震波“在统计意义上相符”的判定。

(3)剪力墙底部加强部位的高度应从地下室顶板算起;当结构计算嵌固端位于地下一层底板或以下时，底部加强部位宜延伸到计算嵌固端。目前SATWE计算软件在确定剪力墙底部加强部位的起始层和高度时，均能满足上述要求，并在多塔定义中提供了修改功能，必要时可进行调整。

(4)对于框剪结构、框筒结构中框架剪力需要根据0.2Vo或1.5Vf、max进行调整的结构，调整起始层应取在嵌固层。

(5)多墙或少墙框剪结构，根据结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总倾覆力矩的比值确定相应的设计方法时，应取嵌固层的比值作为判断依据。

(6)允许嵌固层以下二层起逐层调低抗震构造措施的抗震等级，但不应低于四级。

4 结语

计算机与计算软件的进步，使地下室参与整体分折计算成为可能，但也带来嵌固端的正确设定和相关设计控制等问题。因此，我们必须正确地理解结构嵌固端的设计概念，准确地运用计算软件提供的条件与功能进行结构计算分析与工程设计，保证结构嵌固端及相关设计控制满足规范、规程要求。

[1]GB50011－2010，建筑抗震设计规范[S].

[2]JGJ3－2010，高层建筑混凝土结构设计规程[S].

[3]GB50010－2010，混凝土结构设计规范[S].

[4]GB50007－2011，建筑地基基础设计规范[S].

[5]DGJ08－9－2013，上海市建筑抗震设计规范[S].

[6]沈耀军.结构嵌固层的判定与设计控制.第二十三届全国高层建筑技术交流会论文集.

[7]SATWE多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件用户手册.中国建筑科学研究院.