高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端的選取及相關(guān)技術(shù)問題

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1、引言

高層建筑在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計算之前必須首先確定結(jié)構(gòu)嵌固端的所在位置，而嵌固端的選取卻面臨著各種不同情況，如不設(shè)地下室但基礎(chǔ)埋深較大；沒有地下室但其層數(shù)或多或少，且基礎(chǔ)形式不同等。根據(jù)以上情況正確選取其結(jié)構(gòu)嵌固端，是高層建筑結(jié)構(gòu)計算模式中的一個重要假定，它不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)中某些構(gòu)件內(nèi)力分配的準(zhǔn)確性，而且還影響結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)移的真實性，以及結(jié)構(gòu)局部的經(jīng)濟(jì)性，因此有必要對結(jié)構(gòu)嵌固端的選取作進(jìn)一步探討，并由此引伸出若干相關(guān)的技術(shù)問題。

　　2、結(jié)構(gòu)嵌固端的條件

高層建筑的結(jié)構(gòu)嵌固端通常是選擇在地面標(biāo)高處，但地面標(biāo)高處要真正成為結(jié)構(gòu)嵌固端是有條件的，而且在輸入首層計算高度時還有許多講究。

　　2.1設(shè)有地下室時的條件

（1）地下室頂板標(biāo)高與室外地坪的高差不能太大，極端的情況如半地下室則首層樓面一般不能成為結(jié)構(gòu)嵌固端，除非其高差僅為1—3級臺階高度時才可能考慮；

　?。?）地下室頂板結(jié)構(gòu)應(yīng)為梁板體系（即不可設(shè)計成無梁樓蓋），且該層樓面不得留有大孔洞，樓面框架梁的抗彎剛度要足夠大，樓板也要有相當(dāng)厚度；

　　（3）地下室側(cè)壁要有良好的側(cè)限，即必須與“地球”有良好的接壤，上述半地下室頂板不能成為結(jié)構(gòu)嵌固端的原因就是不滿足此條件。

　　對于上述條件中對首層樓面框架梁的要求，假設(shè)滿足《抗震規(guī)范》第6.1.14條“位于地下室的梁柱節(jié)點左右梁端截面實際受彎承載力之和不宜小于上下柱端實際受彎承載力之和”的要求，對于高層建筑來說，由于首層處的柱截面往往遠(yuǎn)大于框架梁截面，故即使有意增大框架梁截面并增加抗彎鋼筋用量，上述要求仍很難滿足。就此要求而言，則只有多層或小高層建筑才有可能以首層頂板作為結(jié)構(gòu)的嵌固端，而真正意義的高層建筑則完全排除了這種可能性。

　　2.2不設(shè)地下室時的條件

高層建筑不設(shè)地下室通常是針對層數(shù)有限的小高層，或其基礎(chǔ)持力層較淺的情況，但從抗震角度考慮是不宜提倡的。

　　（1）不管是采用天然地基基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)，都是以基礎(chǔ)（承臺）面作為結(jié)構(gòu)嵌固端，且必須在該標(biāo)高處的縱橫方向設(shè)置剛度較大的基礎(chǔ)梁加以連結(jié)，故首層層高應(yīng)從基礎(chǔ)面算起；

　?。?）若基礎(chǔ)（承臺）面標(biāo)高與首層標(biāo)高有一定距離而不設(shè)基礎(chǔ)梁連結(jié)或其剛度過小，則地面標(biāo)高處應(yīng)設(shè)有剛性地面來作為結(jié)構(gòu)嵌固端，首層層高可從地面層算起。若不設(shè)剛性地面，則上部結(jié)構(gòu)無從形成嵌固端，也即結(jié)構(gòu)計算簡圖不成立，設(shè)計上顯然是不允許的。

　　以上列舉的條件無非是說明要成為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，其下部結(jié)構(gòu)必須具有足夠的剛度以保證柱根之間不產(chǎn)生相對位移，且能承受或平衡柱根彎矩。規(guī)范中規(guī)定“當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時，地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的二倍”正是基于這一考慮。

　　3、與嵌固端相關(guān)的技術(shù)問題

　　結(jié)構(gòu)嵌固端的形成或者說上部結(jié)構(gòu)對嵌固端的要求，在工程設(shè)計中還可引伸出若干相關(guān)的技術(shù)問題及其正確的設(shè)計方法，以下將分別探討。

　　（1）單層地下室

當(dāng)高層建筑僅設(shè)單層地下室且底板采用天然地基筏板基礎(chǔ)或樁一筏基礎(chǔ)時，通常選擇基礎(chǔ)底板而非首層作為結(jié)構(gòu)嵌固端，這有利于充分利用其基礎(chǔ)的“無限”剛度，為首層樓面的靈活結(jié)構(gòu)選型創(chuàng)造條件，即使是首層樓面留有大孔洞，或選用無梁樓蓋結(jié)構(gòu)，都不影響結(jié)構(gòu)計算的準(zhǔn)確性。此外，規(guī)范規(guī)定地下室負(fù)一層的抗震等級與上部結(jié)構(gòu)必須一致，以基礎(chǔ)底板作為嵌固端不會造成地下室結(jié)構(gòu)造價的提高，反而可能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。即使單層地下室底板是以樁為基礎(chǔ)的普通梁板結(jié)構(gòu)，一般情況下仍然取底板處為結(jié)構(gòu)嵌固端，唯一例外的是地下室作為抗爆級別較高的防空地下室時，其頂板通常具有作為結(jié)構(gòu)嵌固端的剛度，因此可取其作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，如圖1所示。

　?。?）投影面積比例

高層塔樓在地下室頂板上的投影面積比例大小對首層作為嵌固端的結(jié)構(gòu)有著不同的影響。圖2中當(dāng)該比例*1時，若首層樓面符合作為嵌固端的其它條件，則該首層作為結(jié)構(gòu)嵌固端就毫無疑問了，但當(dāng)上述投影面積比例＜＜1時，說明地下室側(cè)限遠(yuǎn)離塔樓，塔樓發(fā)生的側(cè)向位移將波及首層樓面并使其發(fā)生變形，即使變形量很小，但嚴(yán)格說來首層作為嵌固端的剛度必然小于前一種情況，且變形又增大了上部結(jié)構(gòu)側(cè)移的計算值，同時首層骨架構(gòu)件也會由于自身的變形而產(chǎn)生附加內(nèi)力。作為有經(jīng)驗的結(jié)構(gòu)工程師，在實際設(shè)計中都會根據(jù)工程實際情況予以鑒別并作出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)處理。

　　（3）大底盤多塔樓大底盤

多塔樓大多為商住樓，而且由于商用及居住性質(zhì)不同，對柱網(wǎng)的要求也不同，故通常需設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。當(dāng)大底盤的商用部分層數(shù)不多（如僅1—2層），且結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)于大底盤的屋頂標(biāo)高處時，塔樓的嵌固端就可考慮取在大底盤的屋頂處，至少在塔樓初算時可以如此假定，如圖3所示。

這一考慮基于以下兩點：

①既然屬大底盤，其樓層面積肯定大于塔樓的投影面積，加上大底盤屋頂設(shè)置轉(zhuǎn)換層，故大底盤的樓層平面剛度遠(yuǎn)大于塔樓的樓層剛度；

②轉(zhuǎn)換層之上通常為剪力墻、部分短肢剪力墻或異形柱一短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，為使轉(zhuǎn)換層上下部的側(cè)向剛度相近，大底盤部分肯定要將原位剪力墻增厚或增加新的剪力墻，從而使塔樓下的大底盤部分具有足夠的側(cè)向剛度。目前高層建筑結(jié)構(gòu)計算軟件的功能已較為完善，因此大底盤多塔樓建筑均以整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，其嵌固端也不像結(jié)構(gòu)初算階段選擇在大底盤屋頂標(biāo)高處。

　?。?）高層建筑的基礎(chǔ)埋深

在研究探討高層建筑的結(jié)構(gòu)嵌固端時，必然牽涉到其基礎(chǔ)埋深問題，高層建筑基礎(chǔ)要具有一定的埋置深度，首先是為了保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定（包括抗滑），其次有利于減弱地震反應(yīng)。規(guī)范對高層建筑的基礎(chǔ)埋深有一量化規(guī)定，即“天然地基或復(fù)合地基基礎(chǔ)，可取H/15，樁基礎(chǔ)可取H/18”，但這一規(guī)定僅與建筑物的總高H有關(guān)，而與其它因素?zé)o關(guān)。

　　但我們在認(rèn)真思考后發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)埋深除了與建筑物總高H有關(guān)外，還應(yīng)與控制高層建筑體型重要指標(biāo)的高寬比風(fēng)心有關(guān)。如兩棟建筑物的高度量相同，但其高寬比H/B分別為5.0和2.5，顯然H/B值較小者整體穩(wěn)定性更高，若采用相同的基礎(chǔ)形式，則階B值較大者其基礎(chǔ)埋深應(yīng)更大。換言之，基礎(chǔ)埋深對H／B較大者應(yīng)偏于嚴(yán)格，而對H／B較小者則可略為放松，不宜作相同處理甚至反其道而行之，否則就違背了基礎(chǔ)需一定埋深的原則。除了高寬比H／B外，基礎(chǔ)埋深還應(yīng)與高層建筑的裙房底座寬度、地下室底盤寬度等因素有關(guān)，對地下室面積僅為塔樓投影面積者應(yīng)偏于嚴(yán)格，相反對沒有裙房或地下室面積大于塔樓投影面積者則可略為放松。

　?。?）首層樓面的活載

作為結(jié)構(gòu)嵌固端的首層樓面（地下室頂板），其正常使用時的活載一般不太大，即使作為商業(yè)用途，其活載也僅為3.5kN／m2，但設(shè)計中要考慮施工過程中可能產(chǎn)生的施工荷載，對于首層梁板構(gòu)件取活載8.0—10.0kN／m2則往往是必要的。

　　當(dāng)高層建筑主體結(jié)構(gòu)建至2層樓面時，首層地面自然而然就成為理想的施工場所，或用于堆放材料（袋裝水泥、砌塊、搭架鋼腳手架等），或用于鋼筋加工，甚至作為載重汽車的行駛停放場等，即使是臨時荷載，其樓面活載也就有必要取較高值（該活載值僅作用于該層梁板，并不需傳給豎向構(gòu)件的墻柱）。

　　此外，該層樓板配置通長面筋，不僅是出于增大剛度的考慮，而且是抵抗混凝土收縮和溫度應(yīng)力的需要，特別是由于開發(fā)商的原因可能導(dǎo)致地下室頂板完成后要裸露一段時間（從幾個月到幾年不等），為了防止或減少由于暴曬或暴露時間過長而產(chǎn)生的裂縫，配置足夠的樓板面筋尤為必要。首層樓面考慮較大的施工荷載，其梁板截面就需較大，有利于滿足首層樓面作為結(jié)構(gòu)嵌固端剛度要較大的要求。

　　4、結(jié)束語

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，無論選擇哪個部位作為結(jié)構(gòu)嵌固端，都可以通過結(jié)構(gòu)計算程序獲得準(zhǔn)確的計算結(jié)果，但我們期望的是計算結(jié)果較真實地反映結(jié)構(gòu)的實際情況。為了達(dá)到這一目的，結(jié)構(gòu)計算時輸入正確的參數(shù)和數(shù)據(jù)固然相當(dāng)重要，但結(jié)構(gòu)嵌固端的確定對結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的影響也相當(dāng)大，因此重視結(jié)構(gòu)嵌固端的確定并非微不足道，且在嵌固端確定后設(shè)計中如何保證其成為真正的嵌固端，還有許多細(xì)節(jié)有待研究和完善，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員不能忽視的重要環(huán)節(jié)