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高層建筑結(jié)構設計如何選取結(jié)構嵌固端
在高層建筑結(jié)構設計中，無論選擇哪個部位作為結(jié)構嵌固端，都可以通過結(jié)構計算程序獲得準確的計算結(jié)果，但我們期望的是計算結(jié)果較真實地反映結(jié)構的實際情況。為了達到這一目的，結(jié)構計算時輸入正確的參數(shù)和數(shù)據(jù)固然相當重要，但結(jié)構嵌固端的確定對結(jié)構計算結(jié)果的影響也相當大，因此重視結(jié)構嵌固端的確定并非微不足道，且在嵌固端確定后設計中如何保證其成為真正的嵌固端，還有許多細節(jié)有待研究和完善，這是結(jié)構設計人員不能忽視的重要環(huán)節(jié)。
1、引言
高層建筑在進行結(jié)構分析計算之前必須首先確定結(jié)構嵌固端的所在位置，而嵌固端的選取卻面臨著各種不同情況，如不設地下室但基礎埋深較大;沒有地下室但其層數(shù)或多或少，且基礎形式不同等。根據(jù)以上情況正確選取其結(jié)構嵌固端，是高層建筑結(jié)構計算模式中的一個重要假定，它不僅關系到結(jié)構中某些構件內(nèi)力分配的準確性，而且還影響結(jié)構產(chǎn)生側(cè)移的真實性，以及結(jié)構局部的經(jīng)濟性，因此有必要對結(jié)構嵌固端的選取作進一步探討，并由此引伸出若干相關的技術問題。
2、結(jié)構嵌固端的條件
高層高層建筑的結(jié)構嵌固端通常是選擇在地面標高處，但地面標高處要真正成為結(jié)構嵌固端是有條件的，而且在輸入首層計算高度時還有許多講究。
2.1設有地下室時的條件
(1)地下室頂板標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)構嵌固端(即室外地坪與地下室頂板的高差大于層高的1/3)，除非其高差僅為1—3級臺階高度時才可能考慮;
(2)地下室頂板結(jié)構應為梁板體系(即不可設計成無梁樓蓋)，且該層樓面不得留有大孔洞，并且滿足抗震規(guī)范6.1.14的要求(剛度和梁柱受彎承載力要求)
(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)構嵌固端的原因就是不滿足此條件。且地下室側(cè)壁 離塔樓邊不超過3倍地下負一層層高。
對于上述條件中對首層樓面框架梁的要求，假設滿足《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”和剛度比的要求，最關鍵是做到地震時地上一層的柱底出現(xiàn)塑性鉸，相當于強梁弱柱的概念。嚴格來說，嵌固端柱底的彎矩應該由地下室頂板梁和地下室柱的柱頂 彎矩共同承擔，即采用提高地下室頂板梁和地下室柱頂?shù)氖軓澇休d力的方法實現(xiàn)柱底的嵌固條件。一般情況下均能滿足，不滿足也要創(chuàng)造條件滿足(另一種意見是這種情況對高層建筑來說很難滿足，因為高層的柱底彎矩太大，鑒于此，需要把嵌固端下移至基礎頂面)
2.2不設地下室時的條件
高層建筑不設地下室通常是針對層數(shù)有限的小高層，或其基礎持力層較淺的情況，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或樁基礎，都是以基礎(承臺)面作為結(jié)構嵌固端，且必須在該標高處的縱橫方向設置剛度較大的基礎梁加以連結(jié)，故首層層高應從基礎面算起;
(2)若基礎(承臺)面標高與首層標高有一定距離而不設基礎梁連結(jié)或其剛度過小，則地面標高處應設有剛性地面來作為結(jié)構嵌固端，首層層高可從地面層算起。若不設剛性地面，則上部結(jié)構無從形成嵌固端，也即結(jié)構計算簡圖不成立，設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)構的嵌固端，其下部結(jié)構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?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構嵌固部位時，地下室結(jié)構的樓層側(cè)向剛度不應小于相鄰上部結(jié)構樓層側(cè)向剛度的二倍”正是基于這一考慮。
3、與嵌固端相關的技術問題
結(jié)構嵌固端的形成或者說上部結(jié)構對嵌固端的要求，在工程設計中還可引伸出若干相關的技術問題及其正確的設計方法，以下將分別探討。
(1)單層地下室
當高層建筑僅設單層地下室且底板采用天然地基筏板基礎或樁一筏基礎時，通常選擇基礎底板而非首層作為結(jié)構嵌固端，這有利于充分利用其基礎的“無限”剛度，為首層樓面的靈活結(jié)構選型創(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，都不影響結(jié)構計算的準確性。此外，規(guī)范規(guī)定地下室負一層的抗震等級與上部結(jié)構必須一致，以基礎底板作為嵌固端不會造成地下室結(jié)構造價的提高，反而可能取得較好的經(jīng)濟效益。即使單層地下室底板是以樁為基礎的普通梁板結(jié)構，一般情況下仍然取底板處為結(jié)構嵌固端，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)構嵌固端的剛度，因此可取其作為上部結(jié)構的嵌固端。
(2)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)構有著不同的影響。當該比例接近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)構嵌固端就毫無疑問了，但當上述投影面積比例<<1時，說明地下室側(cè)限遠離塔樓，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)構側(cè)移的計算值，同時首層骨架構件也會由于自身的變形而產(chǎn)生附加內(nèi)力。此時地下室頂板不能形成有效的嵌固，SATWE信息中回填土對地下室的約束剛度比宜
(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，故通常需設置結(jié)構轉(zhuǎn)換層。當大底盤的商用部分層數(shù)不多(如僅1—2層)，且結(jié)構轉(zhuǎn)換層設于大底盤的屋頂標高處時，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，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，加上大底盤屋頂設置轉(zhuǎn)換層，故大底盤的樓層平面剛度遠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，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)構進行計算，其嵌固端也不像結(jié)構初算階段選擇在大底盤屋頂標高處。
大底盤與上部各個塔的剛度如何計算規(guī)范沒要求，SATWE僅給出1號塔與大底盤的剛度比;龔思禮主編的《建筑抗震手冊》提出：在計算大底盤多塔結(jié)構的地下室樓層的剪切剛度比時，大底盤的整體剛度與所有塔樓的總體剛度比不應小于2，每棟塔樓范圍內(nèi)的地下室剛度，與上部塔樓的剪切剛度比不宜小于1.5(高層建筑箱形與筏形基礎技術規(guī)范96中的5.1.3條：采用箱基的多層地下室及采用筏基的地下室，對于上部結(jié)構為框架、剪力墻或框剪結(jié)構的多層地下室，當?shù)叵率业膶娱g側(cè)移剛度大于等于上部結(jié)構層間側(cè)移剛度的1.5倍時，地下一層結(jié)構頂部可作為上部結(jié)構的嵌固部位)。而上海規(guī)程6.1.19的條文說明：大面積地下室而上部塔樓小時，計算地下室相對剛度時，只能考慮塔樓及其周圍抗側(cè)力構件的貢獻(去2倍層高范圍或45度線范圍的構件)(為滿足剛度比的要求，也可以做減法，即減小上部的剛度，減少上部墻數(shù)量，開設結(jié)構洞等措施;加法即加大底部墻厚或數(shù)量)。
深圳院規(guī)定：配筋按多塔模型計算比較符合實際，當群房連接薄弱，塔間凈距》3倍塔寬(或3倍群房高)按單塔計算(單塔的范圍也可看整體模型的振型位移圖來確定或者按照上海高規(guī)，單塔帶裙房的范圍小于2倍地下一層層高)。周期按單塔算，位移用整體模型。多塔嵌固端按轉(zhuǎn)換結(jié)構設計，高規(guī)10.2.20，與轉(zhuǎn)換層相鄰樓層的樓板也應適當加強。剛度比采用剪切(彎)法及第三種方法。
對于大底盤為地下室的多塔結(jié)構，不論頂板是否嵌固，上部結(jié)構可以不按多塔結(jié)構設計，但地下室應考慮上部多塔的影響。教材上說：地下室連為整體，地上分為若干獨立結(jié)構時，地上的各個結(jié)構一般不屬于高規(guī)10.6規(guī)定的多塔結(jié)構，但地下室頂板應符合作為上部結(jié)構的嵌固部位的要求，應符合高規(guī)4.5.5的規(guī)定。地下室設計時，應借鑒多塔模型的靜力計算方法，考慮上部各個結(jié)構的影響。
PS：“塔”的概念：這里的塔是個工程概念，指的是四邊都有迎風面且在水平荷載作下可獨自變行的建筑體部。將多個塔建同一個大底盤體部上，叫多塔結(jié)構。 (2)多塔結(jié)構的定義：對與大底盤多塔結(jié)構、巨型框架結(jié)構，如果把裙房部分按塔的形式切開計算，則裙房部分誤差較大，且各塔的相互影響無法考慮。因此，程序采用了分塊平面內(nèi)無限剛的假定以減少自由度，且同時考慮塔與塔的相互影響。對于多塔結(jié)構，各剛性樓板的信息程序自動定義。但其包含區(qū)域需由用戶定義。 (3)分縫結(jié)構：在一個大的建筑體部里，因設伸縮縫、沉降縫、抗震縫，分成了若干小的建筑體部，叫分縫結(jié)構。分縫結(jié)構與多塔結(jié)構區(qū)別是四邊中有的邊不是迎風面。(4)對分縫結(jié)構各塊要分開計算。分縫結(jié)構”的上部結(jié)構被縫分成若干個規(guī)則的抗側(cè)力結(jié)構單元，各單元之間完全分開，有獨立的變形，如果忽略基礎變形影響，各單元之間相對獨立;而“多塔結(jié)構”的各塔通過底盤連成整體，各塔之間相互發(fā)生影響 詳見PKPM軟件在應用中的問題解析!
(4)高層建筑的基礎埋深
在研究探討高層建筑的結(jié)構嵌固端時，必然牽涉到其基礎埋深問題，高層建筑基礎要具有一定的埋置深度，首先是為了保證結(jié)構的整體穩(wěn)定(包括抗滑)，其次有利于減弱地震反應。規(guī)范對高層建筑的基礎埋深有一量化規(guī)定，即“天然地基或復合地基基礎，可取階15，樁基礎可取階18”，但這一規(guī)定僅與建筑物的總高度有關，而與其它因素無關。
但我們在認真思考后發(fā)現(xiàn)基礎埋深除了與建筑物總高度有關外，還應與控制高層建筑體型重要指標的高寬比風心有關。如兩棟建筑物的高度量相同，但其高寬比階B分別為5，0和2，5，顯然風/B值較小者整體穩(wěn)定性更高，若采用相同的基礎形式，則階B值較大者其基礎埋深應更大。換言之，基礎埋深對月/B較大者應偏于嚴格，而對月/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，否則就違背了基礎需一定埋深的原則。除了高寬比風/6外，基礎埋深還應與高層建筑的裙房底座寬度、地下室底盤寬度等因素有關，對地下室面積僅為塔樓投影面積者應偏于嚴格，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。
(5)首層樓面的活載作為結(jié)構嵌固端的首層樓面(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，對于首層梁板構件取活載8.0—10.0kN/m2則往往是必要的。
當高層建筑主體結(jié)構建至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、搭設鋼管腳手架等)，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力的需要，特別是由于開發(fā)商的原因可能導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)構嵌固端剛度要較大的要求。
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