带地下室结构高层建筑嵌固端选取问题探究

周建民

【摘 要】随着城市建筑向密集性、空间型发展，使得高层建筑在进行前期整体结构设计规划时，为了保证结构、造价、安全以及稳定性等综合性能，因此对嵌固端的位置选取就极为重要。本文以高层建筑嵌固端的选取为研究对象，对影响嵌固端的建筑结构刚度、建筑框架结构、非周边约束等因素进行分析，为高层建筑嵌固端选取提供一定的借鉴和参考价值。

【关键词】高层结构；嵌固端；地下室结构；空间刚度；整体稳定性；水平位移

中图分类号： TU973.2 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）35-0172-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.074

0 引言

随着国家对建筑用地加大宏观调控，加上高层建筑是衡量一个城市发展程度的重要标志，使得高层建筑在我国各个城市新建建筑所占的比例越来越多，成为城市发展成果的炫彩名片，往往成为城市的地标和繁荣的象征，同时也是向界展示城市发展的重要窗口。随着这些年全世界气候变化情况多端，特别是我国这些年发生的破坏性自然灾害增多，如地震、洪水等，这些自然灾害对城市高层建筑整体结构的稳定性构成了巨大的威胁。地震对高层建筑的破坏机理，从目前国内外研究和工程实践情况来说，还是处于探索和实践阶段，没有形成一个完整的理论和实践体系，能完完全全解决自然灾害对高层建筑带来的毁灭性的打击问题。高层建筑结构的质量分布情况，整体结构刚度在设计和计算的局限性以及在进行设计时对结构所受外界条件设置时所进行的简化，都影响到建筑结构整体的安全性。目前大部分高层建筑都有地下结构，主要是用作地下停车室和维持整个建筑正常发挥其功能的设备用房，这使得高程建筑在设计时增加了基础的深度，这能提高高层建筑整体结构的稳定性和抗倾覆能力。

在进行高层建筑设计的过程中，高层建筑嵌固端的选择是尤为重要的一项设计内容，并且嵌固端的位置在进行高层建筑设计时应该首先考虑到，然后再根据相关规范进行其他结构，如剪力墙、梁等结构的大小、尺寸进行设计。高层建筑的特点是建筑物必須要有足够的地基基础，才能承受建筑的整体受力，而高层建筑地下室是高层建筑的桥梁，承受和传递高层建筑受到的外力载荷，使其能够产生满足设计要求的刚度和抵抗能力。嵌固端是高层建筑在设计时一个重要的设计假定，其结构和位置影响到整体结构中某些构件的内力分布情况，这就会进一步影响结构在外力作用下产生的侧移的真实情况以及整体结构的造价费用。

1 高层建筑地下室承载情况对嵌固端的选择

高层建筑在城市空间的位置受到各种约束，而建筑的功能却越来越多，也越来越复杂，这就使得高层建筑结构越来越多样化，也使嵌固端的选择越来越科学化。地下室在结构上来说，与上部结构形成一个整体，在进行力学分析时，就形成一个共同的位移和变形场，各自的变形机理相互影响、相互约束和相互协调。地下室结构的回填土对整体建筑结构的变形有一定的约束作用，因此常常将地下室结构、地基等作为一个整体进行分析，能较好地进行结构分析，同时也能减少相关的设计和建造费用。

地下室是连接地基与上部结构的桥梁，地下室结构主要承受的载荷有：上部建筑自身的重量、水平载荷、地下室自重以及土压力等。地下室与上部结构组成一个完整的体系结构，使能够有很好地承受作用力的关系，这样可以在进行静力学平衡分析时，可以进行有效地简化，而且能得到与工程实践相吻合的结果。当高层建筑采用天然筏板基础时，可以选择基础底板作为结构嵌固端，这是由于天然地基筏板基础具有“无限”刚度，能为首层楼面创造良好的结构条件，与此同时也不会影响其在进行结构受力分析的准确性。

2 地下室顶板开洞对高层结构嵌固端的影响

高层建筑地下室结构与地基相连，是建筑上层结构的基础，这样可以为高层建筑提供合理、安全和可靠的嵌固结构，还可以作为建筑连接的桥梁，将地基与上层建筑能够很好地连接在一起，形成一个整体结构，最终将整个高层建筑整体的重心降低，有助于提高高层建筑的抗倾覆能力，于此同时也能增加上层建筑整体的稳定性。地下室作为高层建筑最底层的结构，需要在顶板上进行开洞来满足设计的需要，同时也是为了达到建筑物所需要的特定功能。地下室顶板开洞将会降低整体结构的刚性，使其抗变形能力减弱，最终会对上部结构的嵌固作用造成一定的影响。地下室顶板开洞主要包括开洞位置、开洞尺寸和开洞形式等，这将会对高层建筑嵌固端产生影响。

2.1 开洞尺寸对嵌固端的影响

高层建筑受到建筑具体功能的影响时，需要对其结构进行开洞，开孔尺寸大小将影响到顶板的刚度，并且还会降低嵌固上部结构的能力。当建筑结构在受到外部载荷时，地下室顶板开洞尺寸越大，其建筑的结构形式、质量分布等将会受到影响，最终将会影响结构整体稳定性。

2.2 开洞形式对嵌固端的影响

高层建筑结构地下室顶板在洞口的不同形状、个数、布置方式等将对嵌固端产生影响。顶板开洞的布置方式会对结构整体刚度变化产生不一样的影响。洞口的个数太多，会使顶板的变形量变大，将会使顶板的最大应力较为集中，在洞口出现明显地应力集中现象，这将影响整体建筑的稳定性，使得抗倾覆能力削弱，使建筑发生坍塌的风险加大。

2.3 开洞位置对嵌固端的影响

在对嵌固端进行布置时，应避免在洞口进行布置。当不可避免地在顶板上部设置洞口时，应将洞口对称地布置在地下室顶板的中间对称处，虽然局部建筑刚度能满足要求，但是建筑整体的刚度要求将无法得到保障，最终将无法保证嵌固端完整地发挥其作用。在进行嵌固端布置时，将根据实际情况选择在地下室顶板的合适位置，这样才能较好地发挥嵌固端的作用。

3 非周边约束地下室高层结构嵌固端选择

复杂的地理环境，使得城市高层建筑在进行设计时将考虑更多的实际情况，在进行结构设计和分析时将称之为非周边约束条件。在带有地下室和具有非周边约束的高层建筑来说，其嵌固端的位置确定是结构设计时必须要考虑的部分，其目的就是为了使建筑能够承受外界环境的破坏，主要包括地震、风载荷等自然环境的作用，将会对高层建筑的整体振动周期、水平和侧向位移以及内力分布产生不同程度的影响。在遇到非周边约束的地下室顶板时，嵌固端的选择主要是要在建筑物下层与上层之间能够形成有效的塑性铰，才能保证在地震作用和风载荷等环境因素下能够通过基础将载荷传递到地基中去，这样就能减轻结构受到集中载荷而造成结构失稳破坏的风险。具体分析如下：

3.1 非周边约束下地下室风载荷作用分析

在进行高层建筑结构设计时，就必须考虑整体在受到强风这一极端条件的影响，使得风载荷是在进行结构设计时不可忽视的边界条件。而对于非周边约束的高层建筑的地下室，风载荷的起点应为室外地坪处，而对于有山地形的高层建筑来说，应该对风载荷系数进行修正，这样才能真实地计算出风载荷的影响，才能保证高层建筑整体结构的稳定性。对于那些对应面在室外地坪以下时，其受到土的天然约束作用，地下室临空面在受到风载荷时，能将风载荷通过地下梁传递到土体中，使建筑结构之间能够较好地形成有效的塑性铰，提高了整体结构的抗变形能力，保证高层建筑整体的安全性。

3.2 非周边约束地下室地震作用分析

地震发生时将产生巨大的能量，可以将高层建筑进行摧毁。地震发生时，实际是地震作为一种波，可以产生横波和纵波两种波，根据横波和纵波的传播速度不同，使得建筑在受到地震波载荷作用时，产生左右晃动的现象。这种现象就会使建筑结构的地基带动地下室结构发生振动。故地下室就會存在横向和纵向两种移动方式。如果基础设计不合理，将会产生滑移和倾覆现象，地下室与地基出现相对运动，影响整体结构的完整性。

高层建筑处于非周边约束条件下时，需要将在地下室顶板的上部建筑结构进行嵌固端布置。对于此种结构的地下室结构来说，需要满足一定的设计和施工条件：（1）地下室结构刚度满足要求。为了满足建筑结构设计和实际施工考虑，需要在地下室与地下室顶板之间有封闭外墙的结构，才能保证地下室结构与相邻结构整体的刚度条件。（2）地下室在整体结构的横向和纵向上，至少保障在一侧上能被完全地约束上，这样才能保证结构在受到外部载荷时，可以保证整体结构整体地抗倾覆能力。地下层进行加强结构设计，这样可以减少设计产生的费用和设计周期。（3）剪力墙底进行加强。在剪力墙底部进行结构加强，可以适当地提高剪力墙的承载能力，同时也能提高在受到地震作用时的抗地震能力，这样可以在花费较少的设计和生产成本来达到避免墙肢受到外力作用而发生剪切破坏的情况，从而改善和提高整体结构的抗震性能和抗风载荷的倾覆能力。

4 结束语

总之，高层建筑在进行设计和结构分析之前必须进行对结构嵌固端位置进行确定，这对于高层建筑结构在抵抗外部风载荷、地震载荷等具有重要意义，能够保证建筑结构的完整性和使用性，也能对在进行实际施工过程中有一定地参考作用，也会对结构设计过程中控制成本有一个合理地正反馈作用。

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