论文部分内容阅读
【摘要】高层建筑就是为了更好的利用使用的面积空间，而且地下室的设计可以保证停车库的建设，更好的节省了使用面积，但是这样的工程有很多需要注意的地方，做好地下室的受力状况分析，更好的发挥嵌固作用才是很多这方面的技术人员需要解决的问题。本文具体分析研究了高层建筑结构设计中地下室的嵌固作用。
【关键词】高层建筑结构设计地下室嵌固作用
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
高层建筑往往是一个由上部结构和地下室组成的完整承载力体系，具有共同的位移场，相互协调变形。地下室外的回填土对结构有一定的约束作用，仅约束水平位移，而对竖向位移和竖向转动不限制。由于这些问题，则在高层建筑设计中进行结构分析计算之前必须首先确定结构 嵌固端的所在位置，它不仅关系到结构中某些构件内力分配的准确性，而且还影响结 构 产生侧移的真实性以及结构局部的经济性。在高层结构分析时，假定地下室顶板或底板嵌固端给计算结果带来的误差，会造成浪费或致计算结果偏于不安全。假定室外地坪为固端时，若实际地基回填土的约束作用非常弱，能导致实际的侧移远大于计箅值，使设计结果于不安全。假定地下室底板为嵌固端，且不考虑地基回填土的约束作用，计算结果虽然偏于安全的，但如果误差过大，会造成无谓的浪费。通过理论研究，带地下室的高层建筑抗震设计应考虑上部结构、基础和地基的共同工作。研究结果表明，在地震作用下地基回填土与地下室的相互作用会减小结构的侧移；在用有限元软件对震动台试验进行建模时，采用非线性弹簧单元来模拟地基回填土的水平约束作用，得到的计算结果与试验结果符合较好。
一、地下室对上部结构嵌固作用的主要分析方法
在结构设计中对地下室的高层建筑计算模型主要有以下几个核心问题：一是如何合理考虑地下室的刚度；二是如何正确反映回填土对地下室的约束；三是如何考虑基础的作用。目前在上部结构的设计中不直接考虑基础的影响，一般是假定在基础面上约束，或者在施工模拟荷载时近似考虑。为了合理考虑地下室的刚度，一般都是把地下室和上部结构一起建模。对于回填土对地下室的约束的分析方法，近几年理论研究比较多，已取得一定的研究成果，主要有弹簧刚度法和嵌固水平位移法。
1、弹簧刚度法
弹簧刚度法的计算模型是将上部结构与地下室作为一个整体考虑，嵌固端选取在基础底板处，并在每层地下室的楼板处引入水平弹簧刚度，其值的大小反映回填土对地下室约束作用的强弱。设计人员运用该种方法时需要确定水平弹簧刚度的具体取值，这是十分困难的，很难确定回填土对地下室约束作用的具体大小。 在SATWE软件中，没有直接要求用户输入水平弹簧刚度的真实数值，而是间接地要求输入回填土对地下室约束作用的相对(弹簧) 刚度比，其含义是回填土的约束刚度与地下室本身抗侧移刚度的比值。若取相对刚度比为零，则表示不考虑回填土的约束刚度；若取相对刚度比为5.0或更大，则计算结果与嵌固各层地下室顶板水平位移效果一致。这是两个极端情况，工程实际情况应该介于这两种情况之间，为确定相对刚度比的合理取值范围，研究者对许多工程进行了对比分析， 分析经验表明，对于一般工程，取相对刚度比在2.0-4.0之间变化比较合适。
2、嵌固水平位移法
嵌固水平位移法即通过考虑地下室水平位移的侧向嵌固来考虑回填土的约束作用。主要涉及到地下室结构与相邻上部结构楼层的侧向刚度比。侧向刚度的计算主要有三种方法：
（1）地震剪力与地震层间位移比。地震剪力与地震层间位移比是一种与外力有关的计算方法。规范中规定的△μi不仅包括了地震力产生的位移，还包括了用于该楼层的倾覆力矩Mi产生的位移和由于下一层的楼层转动而引起的本层刚体转动位移。
（2）剪弯刚度。剪弯刚度本质上就是单位力作用下的层间位移角，所以其刚度比也就是层间位移角之比。它虽然能同时考虑剪切变形和弯曲变形的影响， 但没并有考虑上下层对本层的约束。
（3）剪切刚度。剪切刚度的计算方法主要是剪切面积与相应层高的比，其大小跟结构竖向构件的剪切面积和层高相关。剪切刚度没有考虑带支撑的结构体系和剪力墙洞口高度变化时所产生的影响。
二、设有地下室的高层建筑的嵌固位置的确定问题
钢筋混凝土高层建筑在进行结构分析之前，必须首先确定结构嵌固端所在位置，其直接关系到计算模型与实际受力状态的符合程度。目前实际工程中大多数单塔或多塔高层建筑都带有面积较大的地下室以及层数不多的裙房，而且裙房可能相连形成大底盘。《建筑抗震设计规范》规定高层建筑地下室在满足一定条件下，地下室顶板可以作為上部结构的嵌固端。在确定带地下室的高层建筑嵌固位置时需要特殊注意以下几点：
1、地下一层结构侧向刚度应不小于地上结构侧向刚度的2倍。结构层侧向刚度可近似按等效剪切刚度计算，即：
式中，G0、G1，分别为地下一层及地上一层的混凝土剪切模量；A0、A1分别为地下一层及地上一层竖向结构构件的总折算受剪面积；Aw为沿计算方向地上一层或地下室范围地下一层的抗震墙全部有效截面面积；Ae为地下一层或地上一层全部柱截面面积；h0、h1分别为地下一层及地上一层的层高。
注意对“侧向刚度的2倍”的要求可以理解为有效数字满足2倍，即地下室结构的楼层侧向刚度不小于相邻上部楼层侧向刚度的1．5倍。还要注意的是“地下室结构的楼层侧向刚度”指结构自身刚度，不考虑土对地下室外墙的约束作用。
2、 “应采用现浇梁板结构，其楼板厚度不宜小于180mm，混凝土强度等级不宜小于C30，应采用双层双向配筋，且每层每个方向配筋率不宜小于0．25％”。对楼盖结构形式、楼板厚度以及配筋提出详细要求。相对梁板结构而言，无梁楼盖结构平面外刚度较小，难以符合刚性楼板假定的基本要求，因此，作为上部结构嵌固部位的地下室顶板，主楼范围以及与之相连裙房地下室顶板的相关范围应采用现浇梁板结构，无地上结构的地下室顶板其它位置可采用无梁楼盖结构。对于地下室形成大底盘结构而言，其中的“相关范围”指距主楼两跨且不小于15m范围。其具体范围如下图1所示。
图1大底盘结构嵌固位置楼盖体系要求
3、计算多塔大底盘地下室结构楼层剪切刚度比时，大底盘地下室的整体刚度与所有塔楼的总体刚度比应满足上述(1)中刚度比的要求，而且每栋塔楼范围内(塔楼周边向外扩出与地下室高度相等的水平长度)的地下室剪切刚度与相邻上部结构塔楼剪切刚度的剪切刚度比不宜小于1．5。
4、单层地下室建筑宜选择基础底板作为结构嵌固端。选择基础底板作为结构嵌固端，可以充分利用基础的“无限刚”的假定，也为首层楼面的灵活造型创造条件；即使是首层楼面有大开洞，或者选用无梁楼盖，都不影响计算的准确性，但是地下室作为抗爆级别较高的防空地下室时，其顶板与墙体通常具有作为结构嵌固端的刚度，此时可取其作为上部结构的嵌固端。
5、当不能满足嵌固在地下室顶板的要求时，可按嵌固在基础顶部设计。B级高度高层建筑不宜嵌固在基础顶部。而且在设计地下室结构时不考虑地下室结构水平地震作用降低系数。
参考文献：
[1] 吴伟河.浅谈地下室工程结构设计分析[J]. 科技资讯. 2009(12)
[2] 赵鹏,王新.浅议多层及高层地下室结构设计[J]. 甘肃科技纵横. 2010(05)
[3] 杨培生.谈对高层建筑嵌固端的选取及地下室抗震等级的确定[J]. 工程建设与设计. 2011(S1)
【关键词】高层建筑结构设计地下室嵌固作用
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
高层建筑往往是一个由上部结构和地下室组成的完整承载力体系，具有共同的位移场，相互协调变形。地下室外的回填土对结构有一定的约束作用，仅约束水平位移，而对竖向位移和竖向转动不限制。由于这些问题，则在高层建筑设计中进行结构分析计算之前必须首先确定结构 嵌固端的所在位置，它不仅关系到结构中某些构件内力分配的准确性，而且还影响结 构 产生侧移的真实性以及结构局部的经济性。在高层结构分析时，假定地下室顶板或底板嵌固端给计算结果带来的误差，会造成浪费或致计算结果偏于不安全。假定室外地坪为固端时，若实际地基回填土的约束作用非常弱，能导致实际的侧移远大于计箅值，使设计结果于不安全。假定地下室底板为嵌固端，且不考虑地基回填土的约束作用，计算结果虽然偏于安全的，但如果误差过大，会造成无谓的浪费。通过理论研究，带地下室的高层建筑抗震设计应考虑上部结构、基础和地基的共同工作。研究结果表明，在地震作用下地基回填土与地下室的相互作用会减小结构的侧移；在用有限元软件对震动台试验进行建模时，采用非线性弹簧单元来模拟地基回填土的水平约束作用，得到的计算结果与试验结果符合较好。
一、地下室对上部结构嵌固作用的主要分析方法
在结构设计中对地下室的高层建筑计算模型主要有以下几个核心问题：一是如何合理考虑地下室的刚度；二是如何正确反映回填土对地下室的约束；三是如何考虑基础的作用。目前在上部结构的设计中不直接考虑基础的影响，一般是假定在基础面上约束，或者在施工模拟荷载时近似考虑。为了合理考虑地下室的刚度，一般都是把地下室和上部结构一起建模。对于回填土对地下室的约束的分析方法，近几年理论研究比较多，已取得一定的研究成果，主要有弹簧刚度法和嵌固水平位移法。
1、弹簧刚度法
弹簧刚度法的计算模型是将上部结构与地下室作为一个整体考虑，嵌固端选取在基础底板处，并在每层地下室的楼板处引入水平弹簧刚度，其值的大小反映回填土对地下室约束作用的强弱。设计人员运用该种方法时需要确定水平弹簧刚度的具体取值，这是十分困难的，很难确定回填土对地下室约束作用的具体大小。 在SATWE软件中，没有直接要求用户输入水平弹簧刚度的真实数值，而是间接地要求输入回填土对地下室约束作用的相对(弹簧) 刚度比，其含义是回填土的约束刚度与地下室本身抗侧移刚度的比值。若取相对刚度比为零，则表示不考虑回填土的约束刚度；若取相对刚度比为5.0或更大，则计算结果与嵌固各层地下室顶板水平位移效果一致。这是两个极端情况，工程实际情况应该介于这两种情况之间，为确定相对刚度比的合理取值范围，研究者对许多工程进行了对比分析， 分析经验表明，对于一般工程，取相对刚度比在2.0-4.0之间变化比较合适。
2、嵌固水平位移法
嵌固水平位移法即通过考虑地下室水平位移的侧向嵌固来考虑回填土的约束作用。主要涉及到地下室结构与相邻上部结构楼层的侧向刚度比。侧向刚度的计算主要有三种方法：
（1）地震剪力与地震层间位移比。地震剪力与地震层间位移比是一种与外力有关的计算方法。规范中规定的△μi不仅包括了地震力产生的位移，还包括了用于该楼层的倾覆力矩Mi产生的位移和由于下一层的楼层转动而引起的本层刚体转动位移。
（2）剪弯刚度。剪弯刚度本质上就是单位力作用下的层间位移角，所以其刚度比也就是层间位移角之比。它虽然能同时考虑剪切变形和弯曲变形的影响， 但没并有考虑上下层对本层的约束。
（3）剪切刚度。剪切刚度的计算方法主要是剪切面积与相应层高的比，其大小跟结构竖向构件的剪切面积和层高相关。剪切刚度没有考虑带支撑的结构体系和剪力墙洞口高度变化时所产生的影响。
二、设有地下室的高层建筑的嵌固位置的确定问题
钢筋混凝土高层建筑在进行结构分析之前，必须首先确定结构嵌固端所在位置，其直接关系到计算模型与实际受力状态的符合程度。目前实际工程中大多数单塔或多塔高层建筑都带有面积较大的地下室以及层数不多的裙房，而且裙房可能相连形成大底盘。《建筑抗震设计规范》规定高层建筑地下室在满足一定条件下，地下室顶板可以作為上部结构的嵌固端。在确定带地下室的高层建筑嵌固位置时需要特殊注意以下几点：
1、地下一层结构侧向刚度应不小于地上结构侧向刚度的2倍。结构层侧向刚度可近似按等效剪切刚度计算，即：
式中，G0、G1，分别为地下一层及地上一层的混凝土剪切模量；A0、A1分别为地下一层及地上一层竖向结构构件的总折算受剪面积；Aw为沿计算方向地上一层或地下室范围地下一层的抗震墙全部有效截面面积；Ae为地下一层或地上一层全部柱截面面积；h0、h1分别为地下一层及地上一层的层高。
注意对“侧向刚度的2倍”的要求可以理解为有效数字满足2倍，即地下室结构的楼层侧向刚度不小于相邻上部楼层侧向刚度的1．5倍。还要注意的是“地下室结构的楼层侧向刚度”指结构自身刚度，不考虑土对地下室外墙的约束作用。
2、 “应采用现浇梁板结构，其楼板厚度不宜小于180mm，混凝土强度等级不宜小于C30，应采用双层双向配筋，且每层每个方向配筋率不宜小于0．25％”。对楼盖结构形式、楼板厚度以及配筋提出详细要求。相对梁板结构而言，无梁楼盖结构平面外刚度较小，难以符合刚性楼板假定的基本要求，因此，作为上部结构嵌固部位的地下室顶板，主楼范围以及与之相连裙房地下室顶板的相关范围应采用现浇梁板结构，无地上结构的地下室顶板其它位置可采用无梁楼盖结构。对于地下室形成大底盘结构而言，其中的“相关范围”指距主楼两跨且不小于15m范围。其具体范围如下图1所示。
图1大底盘结构嵌固位置楼盖体系要求
3、计算多塔大底盘地下室结构楼层剪切刚度比时，大底盘地下室的整体刚度与所有塔楼的总体刚度比应满足上述(1)中刚度比的要求，而且每栋塔楼范围内(塔楼周边向外扩出与地下室高度相等的水平长度)的地下室剪切刚度与相邻上部结构塔楼剪切刚度的剪切刚度比不宜小于1．5。
4、单层地下室建筑宜选择基础底板作为结构嵌固端。选择基础底板作为结构嵌固端，可以充分利用基础的“无限刚”的假定，也为首层楼面的灵活造型创造条件；即使是首层楼面有大开洞，或者选用无梁楼盖，都不影响计算的准确性，但是地下室作为抗爆级别较高的防空地下室时，其顶板与墙体通常具有作为结构嵌固端的刚度，此时可取其作为上部结构的嵌固端。
5、当不能满足嵌固在地下室顶板的要求时，可按嵌固在基础顶部设计。B级高度高层建筑不宜嵌固在基础顶部。而且在设计地下室结构时不考虑地下室结构水平地震作用降低系数。
参考文献：
[1] 吴伟河.浅谈地下室工程结构设计分析[J]. 科技资讯. 2009(12)
[2] 赵鹏,王新.浅议多层及高层地下室结构设计[J]. 甘肃科技纵横. 2010(05)
[3] 杨培生.谈对高层建筑嵌固端的选取及地下室抗震等级的确定[J]. 工程建设与设计. 2011(S1)