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【摘要】嵌固部位的确定对建筑的抗震性能、结构合理性及经济性影响较大。嵌固部位就是通过刚度和承载力调整迫使墙柱等坚向构件塑性铰在预期部位出现。正确选取高层建筑结构计算模型中的嵌固部位十分关键，它直接影响到结构计算的准确性，以及构件内力及结构侧向位移的真实性。下面就针对选择地下室顶板作为上部结构嵌固端的条件进行简单介绍，提出利用PKPM软件确定上部结构嵌固部位的方法，并对做为上部结构嵌固部位的技术措施进行汇总。
【关键词】地下室顶板；上部结构的嵌固部位
1、引言
所谓嵌固实质上是指接近固定的计算基面，从广义的角度来说，嵌固面以下的结构，可视为“基础”范畴。作为抗震设计的重要原则，基础和地下室结构应具有足够的刚度和承载力，保证上部结构进入非弹性阶段时，基础和地下室结构能承受上部荷载并传递到地基上。简单说，嵌固面就是上部竖向抗侧力构件在地震下出现预定塑性铰的基面位置。地震实测记录表明，四周与土壤接触的具有外墙的地下室变形与刚体变形基本一致，抗震设计中可假设其为刚体，上部结构嵌固在地下室顶板上。规范上的刚度比、板厚等要求是构造保证。对于给定的一个结构，其嵌固面是由建筑的客观条件决定的，而不是设计人为指定的。举个例子，对于一个地下室顶板可以作为嵌固面的结构，如果设计计算模型将其嵌固面定为基础顶面，即预定的塑性铰在基础面，则该计算模型对于嵌固面的取法是不合理的。
2、结构嵌固端选取的条件
当地下室顶板满足以下基本条件时，可被确定为上部结构的结构嵌固部位。
1)地下室层数不小于2层[1]；
2)上位主体结构地上一层的楼层等效剪切刚度与地下一层主体相关范围内侧楼层等效剪切刚度比满足（2.2.1）式的要求[1,2,3]；
(2.2.1)
式中：G1、G0——地下一层与上部结构首层的混凝土剪切模量；
A1、A0——地下一层与上部结构首层的折算受剪面积；
A1= Aw,1+0.12 Ac,1
A0= Aw,0+0.12 Ac,0
Aw,1, Aw,0——抗震验算方向地下一层与上部结构首层剪力墙受剪总有效面积；
Ac,1, Ac,0——抗震验算方向地下一层与上部结构首层剪力墙受剪总有效面积；
h1、h0——地下一层与上部结构首层的折算受剪面积。
3)地下室周边宜有与其顶板相连的抗震墙[2,3]。
4)相关范围内地下室顶板应采用现浇梁板结构，且应避免留有大孔洞[1,2]。
3、利用PKPM软件确定上部结构嵌固部位的方法
当下PKPM系列软件还不具备自动判断上部结构嵌固部位的能力，而且实际工程设计过程中情况各不相同，要求软件做到自动判断嵌固部位的工作十分困难，到目前为止还需要设计人员进行人为干预，但PKPM系列软件为此提供了必要的计算及数据支持。首先是把地下室与上部结构作为一个整体进行考虑，通常在基础底板处设置嵌固端，进行第一次试算，计算楼层侧向刚度比时可不考虑地下室室外回填土的侧限作用，计算出地下及上部结构各楼层侧向刚度比的大小（暂不考虑室外回填土对地下室楼层侧向刚度提高的有利因素），这是结构自身的固有特性，不会因地下室层数的变化而改变。然后根据计算的楼层侧向刚度比确定上部结构在地下室的嵌固部位后重新设计，此时可考虑回填土对地下室楼层侧向刚度的贡献。其中最主要的问题就是计算楼层侧向刚度比。前面提到的楼层刚度的计算方法，当下有以下几种计算方法可供选择：
1)高规附录E.0.1建议的方法，——剪切刚度法
2)高规附录E.0.2建议的方法，——剪弯刚度法
3)抗规建议的方法，——楼层剪力与层间位移的比值法。
实际工程设计过程中以上三种方法的具体应用范围各不相同，计算结果也差异较大。个人认为在判断嵌固端部位时，可以直接利用剪切刚度比作为地下室侧向刚度比。当地下室与相邻上部楼层侧向刚度比值满足相关规范要求后，方可认定地下室顶板处的水平位移为零,从而确定该位置作为上部结构的水平位移嵌固部位。
4、嵌固部位的技术措施
地下室顶板做为上部结构嵌固部位时地下室结构的要求如下[2]：
1)地下室顶板做为上部结构嵌固部位时必须保证足够的平面内刚度，应具有将结构的地震剪力分配到主体相关范围内的地下室抗侧力体系上。做为上部结构嵌固部位的地下室顶板应避免开大洞；地下室在上部结构相关范围内的顶板应采用现浇混凝土梁板结构，相关范围以外的地下室顶板宜采用现浇混凝土梁板结构；其楼板厚度不应小于180mm，若柱网内设置多道次梁时，板厚可适当减小，混凝土强度等级不宜小于C30，板中应设置双层双向钢筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。
2)主体结构对应的地下室结构相关范围内，地下一层的抗震等级按上部结构采用，地下一层以下的抗震等级可逐层降低。
3)框架柱嵌固端屈服时，或抗震墙墙肢的嵌固端屈服时，地下一层对应的框架柱或抗震墙墙肢不应屈服。也就是说，地下一层的框架柱截面每侧纵向钢筋不应小于相对应的地上一层柱对应纵向钢筋的1.1倍，地下一层抗震墙墙肢及端部边缘构件的纵向钢筋截面面积不应小于地上一层相应构件。
4)当框架柱嵌固在地下室顶板时，位于地下室顶板的梁柱节点应按首层柱下端为“弱柱”设计，即地震时首层柱底先屈服，出現塑性铰。为了实现首层柱底先屈服的设计概念，抗规提供了两种方法：
其一：地下一层柱上端和节点左右梁端的抗震受弯承载力之和大于地下一层柱下端实配的抗弯承载力的1.3倍；
其二：做为简化，当梁按计算分配的弯矩接近柱的弯矩时，也就是说当地下一层顶梁的刚度较大时，地下室柱上端、地下室顶梁顶面及底面的纵向钢筋均较计算值增加10%以上。
5、结论
在高层或超高层结构设计过程当中，选取任一部位作为上部结构的嵌固端，都可以通过常用的结构设计软件获得所对应的数据支持。结构嵌固端的确定关系到结构计算结果是否真实地反映结构的实际情况。因此，结构计算时参数的正确性才是重中之重，结构工程师应充分重视确定上部结构嵌固部位的意义及作用。确定上部结构的嵌固端后，如何保证其成为真正的嵌固端，在设计过程中还有诸多事宜有待研究和完善，这一重要环节是结构设计人员不容忽视的，值得各位同行去研究、解决。
参考文献
[1]混凝土结构构造手册(第四版).北京:中国建筑工业出版社,2012.
[2]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[3]JGJ3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
【关键词】地下室顶板；上部结构的嵌固部位
1、引言
所谓嵌固实质上是指接近固定的计算基面，从广义的角度来说，嵌固面以下的结构，可视为“基础”范畴。作为抗震设计的重要原则，基础和地下室结构应具有足够的刚度和承载力，保证上部结构进入非弹性阶段时，基础和地下室结构能承受上部荷载并传递到地基上。简单说，嵌固面就是上部竖向抗侧力构件在地震下出现预定塑性铰的基面位置。地震实测记录表明，四周与土壤接触的具有外墙的地下室变形与刚体变形基本一致，抗震设计中可假设其为刚体，上部结构嵌固在地下室顶板上。规范上的刚度比、板厚等要求是构造保证。对于给定的一个结构，其嵌固面是由建筑的客观条件决定的，而不是设计人为指定的。举个例子，对于一个地下室顶板可以作为嵌固面的结构，如果设计计算模型将其嵌固面定为基础顶面，即预定的塑性铰在基础面，则该计算模型对于嵌固面的取法是不合理的。
2、结构嵌固端选取的条件
当地下室顶板满足以下基本条件时，可被确定为上部结构的结构嵌固部位。
1)地下室层数不小于2层[1]；
2)上位主体结构地上一层的楼层等效剪切刚度与地下一层主体相关范围内侧楼层等效剪切刚度比满足（2.2.1）式的要求[1,2,3]；
(2.2.1)
式中：G1、G0——地下一层与上部结构首层的混凝土剪切模量；
A1、A0——地下一层与上部结构首层的折算受剪面积；
A1= Aw,1+0.12 Ac,1
A0= Aw,0+0.12 Ac,0
Aw,1, Aw,0——抗震验算方向地下一层与上部结构首层剪力墙受剪总有效面积；
Ac,1, Ac,0——抗震验算方向地下一层与上部结构首层剪力墙受剪总有效面积；
h1、h0——地下一层与上部结构首层的折算受剪面积。
3)地下室周边宜有与其顶板相连的抗震墙[2,3]。
4)相关范围内地下室顶板应采用现浇梁板结构，且应避免留有大孔洞[1,2]。
3、利用PKPM软件确定上部结构嵌固部位的方法
当下PKPM系列软件还不具备自动判断上部结构嵌固部位的能力，而且实际工程设计过程中情况各不相同，要求软件做到自动判断嵌固部位的工作十分困难，到目前为止还需要设计人员进行人为干预，但PKPM系列软件为此提供了必要的计算及数据支持。首先是把地下室与上部结构作为一个整体进行考虑，通常在基础底板处设置嵌固端，进行第一次试算，计算楼层侧向刚度比时可不考虑地下室室外回填土的侧限作用，计算出地下及上部结构各楼层侧向刚度比的大小（暂不考虑室外回填土对地下室楼层侧向刚度提高的有利因素），这是结构自身的固有特性，不会因地下室层数的变化而改变。然后根据计算的楼层侧向刚度比确定上部结构在地下室的嵌固部位后重新设计，此时可考虑回填土对地下室楼层侧向刚度的贡献。其中最主要的问题就是计算楼层侧向刚度比。前面提到的楼层刚度的计算方法，当下有以下几种计算方法可供选择：
1)高规附录E.0.1建议的方法，——剪切刚度法
2)高规附录E.0.2建议的方法，——剪弯刚度法
3)抗规建议的方法，——楼层剪力与层间位移的比值法。
实际工程设计过程中以上三种方法的具体应用范围各不相同，计算结果也差异较大。个人认为在判断嵌固端部位时，可以直接利用剪切刚度比作为地下室侧向刚度比。当地下室与相邻上部楼层侧向刚度比值满足相关规范要求后，方可认定地下室顶板处的水平位移为零,从而确定该位置作为上部结构的水平位移嵌固部位。
4、嵌固部位的技术措施
地下室顶板做为上部结构嵌固部位时地下室结构的要求如下[2]：
1)地下室顶板做为上部结构嵌固部位时必须保证足够的平面内刚度，应具有将结构的地震剪力分配到主体相关范围内的地下室抗侧力体系上。做为上部结构嵌固部位的地下室顶板应避免开大洞；地下室在上部结构相关范围内的顶板应采用现浇混凝土梁板结构，相关范围以外的地下室顶板宜采用现浇混凝土梁板结构；其楼板厚度不应小于180mm，若柱网内设置多道次梁时，板厚可适当减小，混凝土强度等级不宜小于C30，板中应设置双层双向钢筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。
2)主体结构对应的地下室结构相关范围内，地下一层的抗震等级按上部结构采用，地下一层以下的抗震等级可逐层降低。
3)框架柱嵌固端屈服时，或抗震墙墙肢的嵌固端屈服时，地下一层对应的框架柱或抗震墙墙肢不应屈服。也就是说，地下一层的框架柱截面每侧纵向钢筋不应小于相对应的地上一层柱对应纵向钢筋的1.1倍，地下一层抗震墙墙肢及端部边缘构件的纵向钢筋截面面积不应小于地上一层相应构件。
4)当框架柱嵌固在地下室顶板时，位于地下室顶板的梁柱节点应按首层柱下端为“弱柱”设计，即地震时首层柱底先屈服，出現塑性铰。为了实现首层柱底先屈服的设计概念，抗规提供了两种方法：
其一：地下一层柱上端和节点左右梁端的抗震受弯承载力之和大于地下一层柱下端实配的抗弯承载力的1.3倍；
其二：做为简化，当梁按计算分配的弯矩接近柱的弯矩时，也就是说当地下一层顶梁的刚度较大时，地下室柱上端、地下室顶梁顶面及底面的纵向钢筋均较计算值增加10%以上。
5、结论
在高层或超高层结构设计过程当中，选取任一部位作为上部结构的嵌固端，都可以通过常用的结构设计软件获得所对应的数据支持。结构嵌固端的确定关系到结构计算结果是否真实地反映结构的实际情况。因此，结构计算时参数的正确性才是重中之重，结构工程师应充分重视确定上部结构嵌固部位的意义及作用。确定上部结构的嵌固端后，如何保证其成为真正的嵌固端，在设计过程中还有诸多事宜有待研究和完善，这一重要环节是结构设计人员不容忽视的，值得各位同行去研究、解决。
参考文献
[1]混凝土结构构造手册(第四版).北京:中国建筑工业出版社,2012.
[2]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[3]JGJ3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.