高层建筑结构嵌固条件影响研究

任毅

(兰州有色冶金设计研究院有限公司 甘肃兰州 730000)

1 基础理论及背景分析

1.1 嵌固结构及计算重点

首先从理论角度上来讲，高层建筑的嵌固结构主要指的是以提升支座稳定性为目的构建的主要受力结构。在主体结构承受外力影响时，嵌固结构不允许出现任何变形，其中涵盖转角形变以及位移形变，要为整体工程提供安全保障。而在地震作用力的影响下，要求高层建筑的嵌固结构在小震中不损坏、在中等地震中可以进行修复，这是评价嵌固结构是否符合要求的核心标准。但是在罕遇地震的影响下，嵌固端的顶面柱脚或者墙脚可能会出现变形情况，这种变形并不会立即导致结构被破坏，还可以承受一定的负载力。当前的主要设计标准是全面提升嵌固结构的塑性变形能力，能够在罕遇地震影响下，不出现严重的损坏以及倒塌。

而从当前绝大部分高层建筑嵌固设计的层面上来讲，随着城市地下空间利用效率的逐步增加，地下室已经成为高层建筑附带的主要结构。而和地上结构相比，地下室在地震影响下受到的损伤较轻，但是地下室的顶板需要作为整体建筑工程的嵌固核心结构。因此在实际分析的过程中，可以将地下室结构所承受的变形和受力情况排除在外，仅针对地下室上部结构进行抗震计算分析，这样可以进一步提升高层建筑结构设计的效率和质量，简化原有的设计流程，在当前绝大部分高层建筑施工中都有应用。

1.2 国内外研究成果分析

由于嵌固结构对于高层建筑本身的抗震设计有着极为重要的影响，因此国内外学者针对该位置进行了全方位的分析，有学者认为上部结构和地下室结构的相互作用能够成为嵌固结构设计的主要依据，并且给出了在水平地震作用下，地下室结构基于底部剪力法的计算方法。

随着我国城市化发展进程的不断加快，地上以及地下同时开发已经成为了部分工程的主要方法，这种方式追求大面积多层地下室，那么在确定嵌固位置的过程中便遇到了较多难题。首先，是否将地下室顶板或者基础底板作为嵌固部位，都未能结合地下室四周的土壤结构水平刚度以及竖向的刚度进行分析；其次，在不同的嵌固条件影响下高层建筑自身的结构受力会出现变化；最后，在临近塔楼地下室设置大型洞口或者下沉广场，这导致局部区域对塔楼的约束能力逐步下降，因此也无法实现较为精准的性能评估。

针对以上这些问题，该文着重分析附带地下室的高层建筑，综合地下室四周的主体对建筑本身产生的实际影响进行探究，建立在地下室结构和周边土体相互作用的层面上分析对上层结构产生的作用。并且结合地下室顶板、周边、底板、土体结构相互作用这4 个层面进行受力性能的影响分析[1-3]。

2 基础计算模型

高层建筑在地震以及风荷载的影响下，会发生显著的侧向变形情况，而水平剪力以及倾覆力矩又会导致地基结构出现一定的变化，其中受到周边土壤结构的约束，地下室结构的侧向刚度较大。有学者结合具体的嵌固模型进行了分析，了解不同类型建筑的实际特点，并且分析在地震影响下建筑的力学变化情况。认为建筑基底嵌固边界的条件还过于保守，未能及时进行创新，也就导致当前绝大部分新型高层建筑的整体稳定性存在一系列的问题。因此在后续分析的过程中，需要将重点转移到塔楼模拟、地下室结构模拟以及地基基础相互作用模拟的层面上，同时也要考虑在不同程度地震发生期间，对建筑物产生的影响进行受力特点的定位，可以通过阻尼器和弹簧了解土体介质，并且分析和其他建筑结构之间产生的力学作用。

2.1 计算模型

2.1.1 基础假定

考虑土体作用和地下室结构之间的影响，并且分析和上层塔楼结构之间的关系，可以设置以下假定。

首先，地下室周边的土体等效为并联的水平非线性弹簧与阻尼器；基础和土体等效为并联的竖向非线性弹簧与阻尼器。其次，要分析地下室结构和塔楼结构的刚度以及综合质量。再次，要了解地下室底部的水平方向地震激励情况。最后，以以上的假设方案为依托进行结构的布置。

2.1.2 结构设置以及参数

假设抗震的设防烈度为7 度，基本地震动加速度值为0.1 g，设置地震分组为第二组，整体建筑工程的场地类别设置为三类，地震的场地特征周期为0.55 s，地面的粗糙度类别为C类。那么结合附带地下室的高层建筑结构平面图进行分析，塔楼位于建筑平面的中央位置，地下室为正方形结构，外轮廓边长为92.4 m。共三层地下室结构每层之间的高度为4 m，塔楼的边长为42 m，框架柱的间距为8.4 m。其相关参数如表1所示。

表1 模拟结构的相关参数

2.1.3 分析模型的相关参数

为了进一步考察嵌固条件与地下室周边土体以及地基之间的关系，要合理地挑选计算模型。该次研究主要采取4种计算模型进行分析。

模型1 主要的设定条件为：上部结构嵌固在地下室的顶板上，不考虑地下室产生的影响。

模型2 的主要设定条件为：上部结构和地下室本身结构都嵌固在基础底板上，地下室的顶板位置水平位移设置为0，施加水平约束的同时分析各楼层的变形情况。

模型3 的设定条件为：上层结构和地下室都嵌固在基础底板上，但是不考虑地下室周围土体对地下室结构产生的约束作用。

模型4 的设定条件为：地下室周围土体简化成水平弹簧与阻尼，并且将桩基础和土体简化成竖向弹簧和阻尼，考虑基础有限刚度和地下室周边的土壤结构对建筑产生的约束作用。由于建筑地下室的底板存在较大的水平摩擦力，因此不考虑底板和主体之间发生水平滑移的可能性。其中，由于模型4 涉及地下室结构和周围土体的相互作用力，而地下室结构的逐步加深会导致剪切波速有一定的变化，该文案例中的建筑地下室为三层结构，综合三层结构不同的剪切波速，分别定为150、250、400，由此在模型4 上延伸出3 种不同的剪切波速模型[4-6]。

2.2 嵌固条件的影响分析

2.2.1 结构动力特性和地震波

为了进一步详细分析嵌固条件对建筑结构产生的影响，需要结合以上4种模型进行针对性分析，主要的分析环境为受到地震影响下的时程响应。该文通过模拟实验，将其前三阶的自振周期进行统计并且归结。具体情况如图1所示。

图1 计算模型的自振周期检测结果

为了进一步提升结构分析的可行性，了解在地震影响下的各项变动要素差异，该次实验又额外选择7条水平方向的人工波作为检测要素。综合检测结果来看，模型1 的自振周期最短，模型3 的自振周期有着略微增大的趋势，但是和模型2 极为接近，模型4 前两阶的平动自振周期增长，但是扭转自振周期的变化并不明显。

2.2.2 水平剪力

在以上7 个不同的地震波的影响下，了解高层建筑的重力荷载以及第一层建筑结构的剪重比，统计结果具体如图2所示。

图2 地震作用影响下的塔楼首层剪重比

结合其数值分化情况来看，在高宽比例为2.0 时，模型1以及模型3的数值较为接近，其中模型3的剪力值最大。模型4 的首层剪力小于模型1 以及模型3 平均值的13.5%。而随着地下室周边土壤结构剪切波速的逐步加大，首层的剪力值也会有略微提升的情况，另外在塔楼的高宽比增大时，剪重比会显著减小。其中模型4 的首层水平剪力和计算模型1 以及模型3 的水平剪力较为接近。

因此从实际情况上来看，要考虑周边土壤结构之间产生的作用力，同时分析模型4 的具体动力特性变化情况。综合其结果来看，建筑结构的水平简历在第1 层结构中达到最高，这和其他几种模型有着本质上的差异，因此剪切波速对于塔楼的水平剪力影响可以被忽略。另外从高度的层面来讲，若周边土体的弹簧和阻尼约束对地下室结构造成影响后，高宽比的数值为2的情况下，在模型4中地下室整体结构的水平剪力会有所下降。剪力波速会随着地震的变化逐步增强，地下室结构的上部结构会受到较为明显的约束力，在这样的条件下地下室一层的水平剪力也会降低。但是在运动反方向角度来看，地下室的下部受到了上部结构杠杆作用产生的撬力影响，地下室2 层以及以下楼层的水平剪力会逐步增加，尤其是在高宽比逐步加大的条件下，这种现象会更为明显。

2.2.3 层间位移角

分析在7 条不同水平地震波的影响下，高宽比为2、4、6的条件下呈现位移角的实际分布情况。从结果层面来讲，在高宽比数值为2 时，模型1 中的层间位移角达到了1/1892，在4种模型中属于最小的数值；模型2的水平位移角达到了1/1853，而地下室的层间位移角则没有变化，始终为0；模型3 的最大层间位移角达到了1/1771，比模型2略微升高，而地下一层的最大层间位移角达到了1/16548，虽然侧向变形数值较小，但是已经突破零的界限。模型4的最大层间位移角达到了1/1675，显著高于模型1 以及模型3，而地下室的最大层间位移角也达到了1/15419。这也代表着随着土体剪切波速的逐步增大，结构之间的位移角会有降低的趋势，而在塔楼的高宽比为4 和6 时，其水平位移角的变化规律和上述结果相似。

2.2.4 建筑的构件内力分析

嵌固位置的选择以及受力情况还需要结合构件的综合质量以及不同应力影响下的实际情况进行针对性探讨。其中可以从以下两个层面进行分析。

（1）核心筒墙肢剪力。在7条地震波的影响下，塔楼的核心筒墙肢水平剪力有一段的相似性，4 种模型的地上结构水平剪力上小下大，而在第2 层时数值最高，首层受到室外的主体约束作用水平剪力有所下降，但是在地下一层数值又达到了最大值，地下2 层以下的其他楼层水平剪力随之减少。这也代表了土体剪切波速，对于结构核心筒墙体的内力会产生部分影响，而随着剪切波速的逐步加大，墙肢剪力也会增加。

（2）框架柱剪力。在7条地震波的影响下，塔楼框架柱的实际剪力情况存在一定的波动性，首先在模型1、模型2、模型3中框架柱水平剪力在楼体结构2层以上变化的趋势较为平稳，但是在首层结构数值为最大峰值。而地下室的范围内模型2 以及模型3 的框架柱剪力先呈现急速下降的趋势，然后又快速增大；模型4的框架柱数值在塔楼下部水平剪力略小于模型1以及模型3，而塔楼上部的水平剪切力大于其他模型。

结果表明受到周边主体的约束作用影响，地下室高度范围内，框架柱的剪力存在急剧的变化状态，而水平剪力的峰值远高于地上的其他结构。

（3）外墙弹簧反力。针对外墙的实际弹簧反力情况进行分析，将其结果统计如图3所示。

图3 地下室外墙的水平反力变化分布

综合其中的波动情况来看，地下室顶板位置的弹簧反力最大，而随着楼层深度的不断增加，该数值也会逐步减小；随着土体介质剪切波速的不断升高，弹簧水平反力也会随之增加；另外上部建筑结构的高度越大，那么水平反力也会相对加大。

3 结语

综上所述，主体结构相互作用的模型能够真实地反映高层建筑施工期间和周边土体结构产生的刚度以及阻尼，综合自振周期以及地震作用，能够发现随着土体剪切波速的逐步提升，结构的运动方向会受到更强的约束，而地下室的水平剪力会显著减小；而在地震作用的影响下，地下室顶板的弹簧反力最大，楼层深度越深，则弹簧反力越小。因此，可以结合实际情况，合理地选择高层建筑的结构嵌固位置，可以综合楼层高度、地下室结构深度、周边土体约束力等各项变量进行分析，通过前期的模拟试验来掌握嵌固结构以及实际性能，这样可以为整体高层建筑的安全发展奠定良好基础。