关于高层建筑结构的嵌固问题

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1、关于高层建筑结构的嵌固问题：此文从理论入手，结合工程实际对高层建筑的嵌固问题做了较为详尽的论述，解决了高层建筑嵌固端位置选定及相关部位的结构计算与设计问题。　　关键词：嵌固端、塑性铰、地下室　　高层建筑的嵌固端，亦称作固定端，即主体结构承受外力时，此位置不允许有任何变形（包括位移和转角）。当然前提是此处的支座要能够产生足够的约束反力而不变形、不破坏。亦即首先支座要“坚固”。　　众所周知，抗震设计的目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。以上关于嵌固端的论述，在小震不坏，中震可修这两个标准中是适用的。但是当“大震”来临，嵌固端顶面的

2、柱脚或墙脚将达到其塑性极限弯矩，并由此产生转动，即塑性铰出现。当然，某处截面出现塑性铰并不能使结构立即破坏，它还能继续承受增加的荷载。当继续加荷时，先出现塑性铰的截面所承受的弯矩维持不变，产生转动，未出现塑性铰的截面所承受的弯矩继续增加，这就是塑性变形引起的结构内力重分布，塑性铰转动的过程就是内力重分布的过程。这个过程，将使嵌固端顶面的主体结构承载力大大加强，从而实现“大震不倒”。　　有一点我们必须明确：“大震不倒”时允许产生塑性铰的最低部位是嵌固端顶面以上一定范围内的柱脚、墙角，而嵌固端顶面以下则不能破坏，正如前所述“支座”要坚

3、固。　　另一方面，我们也看出，确定嵌固端的位置是非常重要的。如图一所示：如果嵌固端选得低了，h增大，结构总水平地震力就大了，当然需要更大的强度和刚度来加强主体和支座，其结果就是不经济；如果选得高了，h小了，但该计入的水平地震力又漏掉了，自然是不安全。当然，这只是最简单的模型。实际工程中，尤其对于高层建筑而言，嵌固端的正确选取更是结构计算中的一个重要假定，它不仅关系到构件内力分配的准确性，而且还影响结构产生侧移的真实性，从而影响到整体结构的安全性和经济性。　　　　嵌固端位置如此重要，如何确定呢？　　先看一个问题：保证建筑物矗立不动的

4、外力从哪里来？答案只有地基和周围的土体。随着建筑物埋深的增大，土的约束作用更趋明显，地震对结构的动力效应相对减弱。基于上述原因和以往的经验，高规规定：基础应有一定的埋置深度（考虑抗倾覆等方面的因素，规定了具体的数值）；相应的又规定：高层建筑宜设地下室。　　　　那么可以说，高层建筑的嵌固端宜在地下室顶板。　　确定了嵌固端位置在地下室顶板，如何保证“大震”来临时，塑性铰必定产生在嵌固端顶面以上，而其下部分不破坏、无变形”呢？请注意：嵌固端顶面以下是由两部分组成的：其一是嵌固端顶面以下的主体结构即地下室，其二是地基和周围土体。　　先讨论

5、地下室的设计。对这个问题，规范规定比较明确：　　1.地下室顶板应采用现浇楼盖结构，其混凝土强度不宜低于C30，应避免开设大洞口，楼板厚度不宜小于180mm，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。（本条主要强调平面内刚度，以保证水平力的可靠传递。）　　2.地下一层与相邻上层的侧向刚度比不宜小于2；地下室周边宜有与其顶板相连的抗震墙。（本条点明嵌固端以下主体结构刚度做大，周边与土体相邻处做刚，以达到支座要坚固的要求。）　　3.地下室顶板对应于地上框架柱的梁柱节点应符合下列规定之一：　　1)地下一层柱截面每侧纵向

6、钢筋面积除应符合计算要求外，不应小于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍；地下一层梁端顶面和第面的纵向钢筋应比计算值增大10%采用。　　2)地下一层柱每侧的纵向钢筋面积不小于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍且地下室顶板梁柱节点左右梁端截面与下柱上端同一方向实配的受弯承载力之和不小于地上一层对应柱下端实配的受弯承载力的1.3倍。　　4.地下室与上部对应的剪力墙墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积不应少于地上一层对应墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积。　　5.地下一层相关范围的抗震等级应按上部结构采用。　　（第3，4，5条保

7、证地下室顶板的梁、柱、墙不能先于地上一层的柱、墙根屈服。）　　上述是规范对于地下室顶板作为上部结构嵌固部位的一些规定。不过在实际的高层建筑设计中，有时会遇到相对复杂一些的问题：　　例如，经常会遇到这样一种情况：主楼周围设车库，且车库顶板与地下室顶板错层较大。此时，要把嵌固端设在地下室顶板，必须解决水平地震力如何可靠传递的问题。此时，可以将车库与主楼相邻处做成斜梁斜板，以解决地震力的传递问题；同时，结合梁板加腋的方法来降低在此处产生的应力集中。当然，如果主楼使用纯剪力墙结构，而且主楼周边与车库相邻处都设置了钢筋混凝土外墙以及与外墙垂

8、直的翼墙，这时只需把此处钢筋混凝土墙及翼墙的边缘构件加强就可以了，不必另外采取措施。因为剪力墙和翼墙的刚度是相当大的，一般认为能够保证水平力的传递。　　以上谈了主体结构（即地下室），另一方面即地基及周围土体如何做到不破坏呢？首先要计算保证地基承载力