非全埋地下室顶板作为结构嵌固部位的探讨

唐宗鹏

(中船第九设计研究院工程有限公司重庆分院，重庆 401120)

0 引言

结构设计中常常需要确定上部结构的嵌固部位。嵌固部位确定后，结构单元的划分就可以只在嵌固部位标高上面的结构平面范围进行，上部结构的计算也可以取嵌固部位标高以上的结构进行，这给地面上多个塔楼共用一个地下室的建筑结构设计带来许多便利，结构体系更清晰，结构造价也更经济。

1 问题背景

对于带地下室的结构，合理确定上部结构的嵌固部位，是确定结构体系，保证结构计算模型的准确，合理评估结构抗震性能，降低工程造价的一个重要条件。

抗震规范明确了地下室顶板作为上部结构嵌固部位的条件，一是要求结构地上1层的侧向刚度，不宜大于相关范围地下1层侧向刚度的0.5倍；二是要求地下室应为完整的地下室[1]。山地建筑场地标高变化较大，常常遇到地下室某些方向不能全埋(即非完整)。这种地下室顶板能否作为上部结构的嵌固部位，规范并没有明确的规定。这给山地建筑结构设计人员带来很多的困扰。国内近几年也出现了关于这方面的研究。张诚江、肖常安两位作者在《带非全埋地下室的高层建筑嵌固端的选取研究》一文中，采用M法模拟回填土对地下室的约束作用，对模型进行了弹塑性分析，研究得出：一面开敞的非全面地下室嵌固端可以选在地下室顶板处，并在一定范围内增大连梁及框架梁刚度与增加底层竖向构件配筋的方法来延迟地下1层塑性铰出现的时间[2]；高层建筑结构嵌固端的选取是高层结构计算分析中的一个重要环节,选取的结果直接影响结构模型分析的准确性以及结构的安全性[3]。

可见，非全埋地下室顶板能否作为结构嵌固部位这一问题具有普遍性，对其进行研究具有必要性和迫切性，也具有很大的实用价值。本文正是从这一实际问题出发，探讨了将非全埋地下室顶板作为嵌固部位的分析思路。

2 问题探讨

对于非全埋地下室，如果地下室顶板能作为上部结构的嵌固部位，那么在对地上部分结构进行地震作用下的受力分析时，就可以只取地上部分进行。这样对于上部结构，特别是地下室顶板以上存在多个塔楼的情况，各个塔楼就可以按各自独立的结构单元进行分析，使得很多分析大大简化。

非全埋地下室常见的情况如下：

三面填土；少于三面填土。

由于非全埋，导致各个方向土体对结构的约束作用不能按全地下室考虑，土体的约束贡献的刚度就不好确定。但是相关范围地下室挡墙的结构刚度可以准确的考虑。

3 模型建立

结构概况：地上8层、地下2层的框架结构，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.15g，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.35 s。

采用PKPM V5.1.3结构设计软件，分别建立下面三种模型如图1～图3所示。

1)上部结构不带地下室的模型；

2)上部结构相关范围带四面围合挡墙模型，不考虑填土的约束作用；

3)上部结构相关范围带三面围合挡墙模型，在没有地下室开敞面塔楼相关范围适当增设剪力墙，不考虑填土的约束作用。

4 多遇地震下的结构弹性分析

通过计算，三个模型的结构主要指标如表1所示。

表1 多遇地震下的结构主要指标对照表

可以看出四面围合的模型和三面围合挡墙的模型相比，结构整体主要周期相差2.3%，地上首层地震剪力相差仅1%，这样小的误差在进行上部结构设计验算时完全可以只取地下室顶板以上的结构进行操作。

5 罕遇地震下的结构弹塑性分析

对以上三个模型进行罕遇地震下弹塑性分析(为说明问题，仅仅取一个主轴方向进行)，考察该地震水准下结构的受力特性。选择地震波为CHI-CHI,TAIWAN-04_NO_2721，特征周期为0.40 s，地震波的相关参数详见图4。

通过计算，三个模型的结构主要指标如表2所示。

表2 罕遇地震下的结构主要指标对照表

从表2可以看出，大震下三种模型结构在主要周期、最大顶部位移都十分接近，地上首层剪力误差稍大，这是因为不带地下室的模型的首层柱子底部采用了固定约束支座，导致结构整体刚度增大，周期减小；而实际带地下室模型首层允许发生转角和水平位移，整体刚度相对变小，周期增长。

三个模型的结构主要层间位移分布如图5～图7所示。

从图5～图7中看出，三个模型地下室顶板以上楼层的层间位移角分布情况和最大层间位移角出现的楼层都十分接近，表明弹塑性无论是三面地下室还是四面全埋地下室，仅仅取地上部分模型在罕遇地震作用下的结构变形特性没有改变。

三个模型的弹塑性时程分析最终塑性铰分布如图8～图10所示。

从图8～图10中看出，三个模型地上部分塑性铰开展情况十分接近，都是先发生在地上部分的框架梁端；对于带地下室的模型，无论是三面有挡墙还是四面有挡墙，框架柱塑性铰都只出现在地下室顶板以上的楼层，且底层和顶层最为发育，和不带地下室模型塑性铰的出现和分布规律趋于一致。

6 结语

判断全埋地下室顶板能否作为上部结构的嵌固部位，除满足规范对嵌固层的要求外，需要对结构进行补充分析：

比较作为顶板以上结构模型和带地下室模型做地震作用下的受力差异，确保仅仅取地下室顶板以上结构模型计算的地震作用对结构产生的效应不能低于带地下室的模型。

对带地下室模型进行整体弹塑性分析，考察塑性铰的分布情况，确保柱子的塑性铰出现在地下室顶板以上首层，而不出现在上部塔楼对应范围的地下室内。对分析结果中有柱子塑性铰出现在地下室范围的情形，可以通过在地下室上部塔楼相关范围增设剪力墙、调整地下室梁柱配筋等措施，来控制柱子塑性铰出现在上部结构，从而保证地下室顶板作为上部结构的嵌固部位。

总之，对地下室顶板以上结构模型和带地下室模型分别计算分析，必要时可以根据需要在地下室增设剪力墙，调整地下室顶板结构承载力，对比二者在不同地震水准下结构的受力特性和抗震性能，二者差异通过分析评估和采取针对性措施，确保结构设计安全，就可以将地下室顶板作为上部结构的嵌固部位。