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[摘要] 介绍了高层建筑在进行结构计算时结构底部的嵌固部位的确定，并简明了嵌固部位的正确选取在高层建筑结构计算中的重要性。
[关键词] 嵌固部位刚度比地下室PKPM软件
Abstract: This paper introduces the determent of wedge position of structure bottom of high-rise building in structure calculation. It also states the importance of selection these positions correctly.
Key words: wedge positionStiffness ratioBasementPKPM Software
中图分类号：G267文献标识码：A 文章编号：
引言
高层建筑在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，而嵌固部位的选取却面临着各种不同情况，如不设地下室但基础埋深较大；没有地下室但其层数或多或少，且基础形式不同等。根据以上情况正确选取其结构嵌固端，是高层建筑结构计算模式中的一个重要假定，它不仅关系到结构中某些计算模型与结构实际受力状态的准确性，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，笔者针对建筑结构特别是地下结构的不同情况，如设有地下室但其层数或多或少，不设地下室但基础埋深较大，基础形式不同等对结构嵌固端的选取作进一步探讨，并由此引申出若干相关的技术问题。
1 地下室顶板作为高层建筑上部结构嵌固端的条件及技术措施
根据《抗震规范》2010版第6.1.14条规定：结构地上一层的侧向刚度，不宜大于相关范围地下一层侧向刚度的0.5倍；但实际上地下室的侧向刚度与塔楼的侧向刚度是不连续的，至少很大部分是不连续的，这主要体现在以下几个方面：1)地下室往往比塔楼平面大，抗侧力构件数量增多；2)地下室往往有较厚的侧壁和地下水池、人防墙体等混凝土墙，从而大大增加了地下室的侧向刚度，但这些构件与上部结构是不连续的，分布也是不均匀的。当然如果地下室与基础设计成箱形基础时，刚度的均匀性要好得多。因此，地下室作为上部结构的嵌固往往是有条件的或者说是一种弹性的。这个条件就是地下室与上部结构之间必须有良好的侧向力传递。基于这个条件，地下室的嵌固作用就与带转换层的结构非常类似了。1)结构竖向构件的连续性，上部的框架柱、抗震墙都尽量能落在地下室，在有必要的情况下能尽量的加强；2)楼板的作用，如加厚板厚，加大楼板混凝土强度等级，以及加大樓板的配筋率。理论上嵌固端应能限制构件在两个水平方向的平动位移和绕竖轴的转角位移，并将上部结构的剪力全部传送给地下室结构。因此，最重要的是加强作为主体结构嵌固部位地下室楼层的侧向刚度和整体承载能力。为了保证地下室顶板作为上部结构嵌固部位须满足以下要求：
1)地下室顶板与室外地坪的高差不能太大,一般宜小于本层层高的1/3。假如高差过大，那么其实相当于此处存在一个错层，这对于水平力的传递非常不利。
2)规范规定：地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下室顶板应避免开设大洞，并应采用现浇梁板结构，其楼板厚度不宜小于180 mm，若柱网内设置多个次梁时，板厚可适当减少。混凝土强度等级不宜小于C30，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0．25％。
3)地下一层柱截面每侧的纵向钢筋面积，除满足计算要求以外，不应小于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1．1倍,且地下一层柱上端和节点左右梁端实配的抗震受弯承载力之和应大于地上一层柱下端实配的抗震受弯承载力的1.3倍。笔者认为：如果柱的纵向钢筋满足上柱子的1.1倍，梁的钢筋满足柱子的0.2倍应该是很容易达到的。地下室剪力墙的配筋不应少于地上一层剪力墙的配筋。值得注意的是，PKPM软件没有自动实现本条要求，设计人员可在施工图设计时将钢筋放大系数取为1.1.
4)地下一层梁刚度较大时，柱截面每侧的纵向钢筋面积应大于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍；同时梁端顶面和底面的纵向钢筋面积均应比计算增大10％以上；
5)考虑柱在地下一层的下端柱出现塑性铰而不是梁柱节点两侧的梁出现塑性铰。通常采用提高地下室顶板梁受弯承载力且增大地下室柱顶的承载力的方法来考虑柱底的嵌固。
6)对于边柱及角柱，由于只有一面有梁，为满足该梁端截面实际弯矩承载力不宜小于柱下端实际承载力的要求，可采用增加梁截面，或不增大梁截面而增加梁配筋的方法。
7）地下一层抗震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。
2 单层地下室建筑
1)地下室全部为防空地下室时，其墙体及顶板通常具有作为结构嵌固端的刚度，此时可取其顶板作为上部结构的嵌固部位。否则,宜将嵌固部位设在基础顶面，即地下一层底板面。
2)地下室大于等于2层时候，可以将地下一层顶板的嵌固部位下移到地下二层顶板或者其他层顶板。满足条件为，a地上一层的侧向刚度与嵌固层的侧向刚度比不大于0.5。b、嵌固层的侧向刚度大于相邻上一层的侧向刚度。地下一层至嵌固层的抗震等级和地上一层的相同，嵌固层以下楼层抗震等级按规范可降低。做法：地下一层的顶板厚度可适当减少，其他可按抗规6.1.14对板进行设计。地下一层的梁按一般楼层的梁进行抗震设计，地下一层的柱配筋不应小于地上一层的柱配筋，嵌固层的梁、板、柱、墙按抗规6.1.14设计。地下2层顶板不能嵌固时候，依次类推。
3 无地下室的建筑
1)若埋置深度较浅，可取基础顶面作为结构的嵌固部位。不管是采用天然地基基础或桩基础，都是以基础(承台)面作为结构嵌固端，且必须在该标高处的纵横方向设置刚度较大的基础梁加以连结，故首层层高应从基础面算起；
2)若埋置深度较深或基础(承台)面标高与首层标高有一定距离而不设基础梁连结或其刚度过小，当剪力墙和砌体结构设有刚性地坪时候，可取室外地面以下500mm处作为上部结构的嵌固部位。上部为刚度较柔的框架结构时，可按照现行规范《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2011）做成高杯口的基础，满足表8.2.5对杯壁厚度的要求，此时可将高杯口的顶面作为上部结构的嵌固部位。（土质不好的多层框架结构通常会出现基础埋置较深的问题，上诉内容很好的解决了因埋深造成的造价高的问题）。刚性地坪的概念，在混凝土规范和砌体规范中均出现过这个名词，但未作解释。笔者认为：根据建筑地面构造做法，设有200mm及以上厚混凝土层的地坪，可视为刚性地坪。
需要指出的是，多层框架结构无地下室采用独立基础，由于基础埋置较深，中间设置拉梁，地下形成了没有外墙和顶板的地下室，嵌固部位选在拉梁部位是不妥的，通常程序的实现是：地下埋入土中部分设为地下室，回填土的约束作用根据具体情况选取1~5.，以实现回填土对结构的约束作用，降低结构的造价，此时结构的嵌固部位为基础顶或者高杯口基础顶。
4 地下室顶板是否作为上部结构嵌固端在PKPM结构的程序操作注意要点
目前，PKPM软件尚无法自动判断嵌固层位置，而且工程实践中情况千差万别，要求软件做到自动判断亦十分困难，仍然需要设计者进行人工干预，PKPM 软件为此提供了必要的条件。首先可以按实际地下室层数进行第一次计算，注意计算楼层侧向刚度比时，不考虑地下室填土的侧限作用。也就是说，操作时要算两遍，先在不考虑地下室外填土侧限作用的情况下，即将地下室信息中“回填土对地下室的约束相对刚度比”填为0，算出楼层侧向刚度比(即地下室嵌固层号参数填0，查文件中的“结构设计总信息”，软件自动计算了楼层上下侧向刚度，这是结构自身的固有性质，不会因地下室层数的变化而改变，据此可以判断嵌固层的位置(当然，对一般工程来说，也可以根据规范提供的公式手算楼层侧向刚度比)，找出主体结构的嵌固层，然后再根据实际嵌固部位填写参数。地下室层号从下住上数，该参数若为一2，表示嵌固在地下室倒数第二层的顶板上；若为一1，表示嵌固在最底一层地下室的顶板上。然后根据嵌固层位置调整计算参数中的“地下室层数”进行第二次计算。当地下室侧向刚度不足以使地下室顶板作为上部结构的嵌固端时，考虑回填土对地下室的侧限作用参数一般情况下可填3。经比较，此参数在2～5之间时，计算结果差别不大，但超过5，就接近于上部结构嵌固在地下室顶板的情况。另外，《建筑抗震设计规范》中关于“位于地下室顶板的梁柱节点左右梁端截面实际受弯承载力之和不宜小于上下柱端实际受弯承载力之和”的规定，目前软件还没有考虑。
结语
在高层建筑结构设计中，无论选择哪个部位作为结构嵌固端，都可以通过结构计算程序获得准确的计算结果，但我们期望的是计算结果较真实地反映结构的实际情况。为了达到这一目的，结构计算时输入正确的参数和数据固然相当重要，但结构嵌固端的确定对结构计算结果的影响也相当大，因此重视结构嵌固端的确定并非微不足道，且在嵌固端确定后设计中如何保证其成为真正的嵌固端，还有许多细节有待研究和完善，这是结构设计人员不能忽视的重要环节。
参考文献：
[1]GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S]．
[2]JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S]．
[3] GB5007—2011，建筑地基基础设计规范[S]．
[关键词] 嵌固部位刚度比地下室PKPM软件
Abstract: This paper introduces the determent of wedge position of structure bottom of high-rise building in structure calculation. It also states the importance of selection these positions correctly.
Key words: wedge positionStiffness ratioBasementPKPM Software
中图分类号：G267文献标识码：A 文章编号：
引言
高层建筑在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，而嵌固部位的选取却面临着各种不同情况，如不设地下室但基础埋深较大；没有地下室但其层数或多或少，且基础形式不同等。根据以上情况正确选取其结构嵌固端，是高层建筑结构计算模式中的一个重要假定，它不仅关系到结构中某些计算模型与结构实际受力状态的准确性，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，笔者针对建筑结构特别是地下结构的不同情况，如设有地下室但其层数或多或少，不设地下室但基础埋深较大，基础形式不同等对结构嵌固端的选取作进一步探讨，并由此引申出若干相关的技术问题。
1 地下室顶板作为高层建筑上部结构嵌固端的条件及技术措施
根据《抗震规范》2010版第6.1.14条规定：结构地上一层的侧向刚度，不宜大于相关范围地下一层侧向刚度的0.5倍；但实际上地下室的侧向刚度与塔楼的侧向刚度是不连续的，至少很大部分是不连续的，这主要体现在以下几个方面：1)地下室往往比塔楼平面大，抗侧力构件数量增多；2)地下室往往有较厚的侧壁和地下水池、人防墙体等混凝土墙，从而大大增加了地下室的侧向刚度，但这些构件与上部结构是不连续的，分布也是不均匀的。当然如果地下室与基础设计成箱形基础时，刚度的均匀性要好得多。因此，地下室作为上部结构的嵌固往往是有条件的或者说是一种弹性的。这个条件就是地下室与上部结构之间必须有良好的侧向力传递。基于这个条件，地下室的嵌固作用就与带转换层的结构非常类似了。1)结构竖向构件的连续性，上部的框架柱、抗震墙都尽量能落在地下室，在有必要的情况下能尽量的加强；2)楼板的作用，如加厚板厚，加大楼板混凝土强度等级，以及加大樓板的配筋率。理论上嵌固端应能限制构件在两个水平方向的平动位移和绕竖轴的转角位移，并将上部结构的剪力全部传送给地下室结构。因此，最重要的是加强作为主体结构嵌固部位地下室楼层的侧向刚度和整体承载能力。为了保证地下室顶板作为上部结构嵌固部位须满足以下要求：
1)地下室顶板与室外地坪的高差不能太大,一般宜小于本层层高的1/3。假如高差过大，那么其实相当于此处存在一个错层，这对于水平力的传递非常不利。
2)规范规定：地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下室顶板应避免开设大洞，并应采用现浇梁板结构，其楼板厚度不宜小于180 mm，若柱网内设置多个次梁时，板厚可适当减少。混凝土强度等级不宜小于C30，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0．25％。
3)地下一层柱截面每侧的纵向钢筋面积，除满足计算要求以外，不应小于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1．1倍,且地下一层柱上端和节点左右梁端实配的抗震受弯承载力之和应大于地上一层柱下端实配的抗震受弯承载力的1.3倍。笔者认为：如果柱的纵向钢筋满足上柱子的1.1倍，梁的钢筋满足柱子的0.2倍应该是很容易达到的。地下室剪力墙的配筋不应少于地上一层剪力墙的配筋。值得注意的是，PKPM软件没有自动实现本条要求，设计人员可在施工图设计时将钢筋放大系数取为1.1.
4)地下一层梁刚度较大时，柱截面每侧的纵向钢筋面积应大于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍；同时梁端顶面和底面的纵向钢筋面积均应比计算增大10％以上；
5)考虑柱在地下一层的下端柱出现塑性铰而不是梁柱节点两侧的梁出现塑性铰。通常采用提高地下室顶板梁受弯承载力且增大地下室柱顶的承载力的方法来考虑柱底的嵌固。
6)对于边柱及角柱，由于只有一面有梁，为满足该梁端截面实际弯矩承载力不宜小于柱下端实际承载力的要求，可采用增加梁截面，或不增大梁截面而增加梁配筋的方法。
7）地下一层抗震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。
2 单层地下室建筑
1)地下室全部为防空地下室时，其墙体及顶板通常具有作为结构嵌固端的刚度，此时可取其顶板作为上部结构的嵌固部位。否则,宜将嵌固部位设在基础顶面，即地下一层底板面。
2)地下室大于等于2层时候，可以将地下一层顶板的嵌固部位下移到地下二层顶板或者其他层顶板。满足条件为，a地上一层的侧向刚度与嵌固层的侧向刚度比不大于0.5。b、嵌固层的侧向刚度大于相邻上一层的侧向刚度。地下一层至嵌固层的抗震等级和地上一层的相同，嵌固层以下楼层抗震等级按规范可降低。做法：地下一层的顶板厚度可适当减少，其他可按抗规6.1.14对板进行设计。地下一层的梁按一般楼层的梁进行抗震设计，地下一层的柱配筋不应小于地上一层的柱配筋，嵌固层的梁、板、柱、墙按抗规6.1.14设计。地下2层顶板不能嵌固时候，依次类推。
3 无地下室的建筑
1)若埋置深度较浅，可取基础顶面作为结构的嵌固部位。不管是采用天然地基基础或桩基础，都是以基础(承台)面作为结构嵌固端，且必须在该标高处的纵横方向设置刚度较大的基础梁加以连结，故首层层高应从基础面算起；
2)若埋置深度较深或基础(承台)面标高与首层标高有一定距离而不设基础梁连结或其刚度过小，当剪力墙和砌体结构设有刚性地坪时候，可取室外地面以下500mm处作为上部结构的嵌固部位。上部为刚度较柔的框架结构时，可按照现行规范《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2011）做成高杯口的基础，满足表8.2.5对杯壁厚度的要求，此时可将高杯口的顶面作为上部结构的嵌固部位。（土质不好的多层框架结构通常会出现基础埋置较深的问题，上诉内容很好的解决了因埋深造成的造价高的问题）。刚性地坪的概念，在混凝土规范和砌体规范中均出现过这个名词，但未作解释。笔者认为：根据建筑地面构造做法，设有200mm及以上厚混凝土层的地坪，可视为刚性地坪。
需要指出的是，多层框架结构无地下室采用独立基础，由于基础埋置较深，中间设置拉梁，地下形成了没有外墙和顶板的地下室，嵌固部位选在拉梁部位是不妥的，通常程序的实现是：地下埋入土中部分设为地下室，回填土的约束作用根据具体情况选取1~5.，以实现回填土对结构的约束作用，降低结构的造价，此时结构的嵌固部位为基础顶或者高杯口基础顶。
4 地下室顶板是否作为上部结构嵌固端在PKPM结构的程序操作注意要点
目前，PKPM软件尚无法自动判断嵌固层位置，而且工程实践中情况千差万别，要求软件做到自动判断亦十分困难，仍然需要设计者进行人工干预，PKPM 软件为此提供了必要的条件。首先可以按实际地下室层数进行第一次计算，注意计算楼层侧向刚度比时，不考虑地下室填土的侧限作用。也就是说，操作时要算两遍，先在不考虑地下室外填土侧限作用的情况下，即将地下室信息中“回填土对地下室的约束相对刚度比”填为0，算出楼层侧向刚度比(即地下室嵌固层号参数填0，查文件中的“结构设计总信息”，软件自动计算了楼层上下侧向刚度，这是结构自身的固有性质，不会因地下室层数的变化而改变，据此可以判断嵌固层的位置(当然，对一般工程来说，也可以根据规范提供的公式手算楼层侧向刚度比)，找出主体结构的嵌固层，然后再根据实际嵌固部位填写参数。地下室层号从下住上数，该参数若为一2，表示嵌固在地下室倒数第二层的顶板上；若为一1，表示嵌固在最底一层地下室的顶板上。然后根据嵌固层位置调整计算参数中的“地下室层数”进行第二次计算。当地下室侧向刚度不足以使地下室顶板作为上部结构的嵌固端时，考虑回填土对地下室的侧限作用参数一般情况下可填3。经比较，此参数在2～5之间时，计算结果差别不大，但超过5，就接近于上部结构嵌固在地下室顶板的情况。另外，《建筑抗震设计规范》中关于“位于地下室顶板的梁柱节点左右梁端截面实际受弯承载力之和不宜小于上下柱端实际受弯承载力之和”的规定，目前软件还没有考虑。
结语
在高层建筑结构设计中，无论选择哪个部位作为结构嵌固端，都可以通过结构计算程序获得准确的计算结果，但我们期望的是计算结果较真实地反映结构的实际情况。为了达到这一目的，结构计算时输入正确的参数和数据固然相当重要，但结构嵌固端的确定对结构计算结果的影响也相当大，因此重视结构嵌固端的确定并非微不足道，且在嵌固端确定后设计中如何保证其成为真正的嵌固端，还有许多细节有待研究和完善，这是结构设计人员不能忽视的重要环节。
参考文献：
[1]GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S]．
[2]JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S]．
[3] GB5007—2011，建筑地基基础设计规范[S]．