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高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如何選取結(jié)構(gòu)嵌固端
在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，無論選擇哪個(gè)部位作為結(jié)構(gòu)嵌固端，都可以通過結(jié)構(gòu)計(jì)算程序獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，但我們期望的是計(jì)算結(jié)果較真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。為了達(dá)到這一目的，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)輸入正確的參數(shù)和數(shù)據(jù)固然相當(dāng)重要，但結(jié)構(gòu)嵌固端的確定對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的影響也相當(dāng)大，因此重視結(jié)構(gòu)嵌固端的確定并非微不足道，且在嵌固端確定后設(shè)計(jì)中如何保證其成為真正的嵌固端，還有許多細(xì)節(jié)有待研究和完善，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員不能忽視的重要環(huán)節(jié)。
1、引言
高層建筑在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算之前必須首先確定結(jié)構(gòu)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(shè)地下室但基礎(chǔ)埋深較大;沒有地下室但其層數(shù)或多或少，且基礎(chǔ)形式不同等。根據(jù)以上情況正確選取其結(jié)構(gòu)嵌固端，是高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算模式中的一個(gè)重要假定，它不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)中某些構(gòu)件內(nèi)力分配的準(zhǔn)確性，而且還影響結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)移的真實(shí)性，以及結(jié)構(gòu)局部的經(jīng)濟(jì)性，因此有必要對(duì)結(jié)構(gòu)嵌固端的選取作進(jìn)一步探討，并由此引伸出若干相關(guān)的技術(shù)問題。
2、結(jié)構(gòu)嵌固端的條件
高層高層建筑的結(jié)構(gòu)嵌固端通常是選擇在地面標(biāo)高處，但地面標(biāo)高處要真正成為結(jié)構(gòu)嵌固端是有條件的，而且在輸入首層計(jì)算高度時(shí)還有許多講究。
2.1設(shè)有地下室時(shí)的條件
(1)地下室頂板標(biāo)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(gòu)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(jí)臺(tái)階高度時(shí)才可能考慮;
(2)地下室頂板結(jié)構(gòu)應(yīng)為梁板體系(即不可設(shè)計(jì)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(gòu)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(fù)一層層高。
對(duì)于上述條件中對(duì)首層樓面框架梁的要求，假設(shè)滿足《抗震規(guī)范》第6.1.14條“位于地下室的梁柱節(jié)點(diǎn)左右梁端截面實(shí)際受彎承載力之和不宜小于上下柱端實(shí)際受彎承載力之和”和剛度比的要求，最關(guān)鍵是做到地震時(shí)地上一層的柱底出現(xiàn)塑性鉸，相當(dāng)于強(qiáng)梁弱柱的概念。嚴(yán)格來說，嵌固端柱底的彎矩應(yīng)該由地下室頂板梁和地下室柱的柱頂 彎矩共同承擔(dān)，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(shí)現(xiàn)柱底的嵌固條件。一般情況下均能滿足，不滿足也要?jiǎng)?chuàng)造條件滿足(另一種意見是這種情況對(duì)高層建筑來說很難滿足，因?yàn)楦邔拥闹讖澗靥�，鑒于此，需要把嵌固端下移至基礎(chǔ)頂面)
2.2不設(shè)地下室時(shí)的條件
高層建筑不設(shè)地下室通常是針對(duì)層數(shù)有限的小高層，或其基礎(chǔ)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(chǔ)或樁基礎(chǔ)，都是以基礎(chǔ)(承臺(tái))面作為結(jié)構(gòu)嵌固端，且必須在該標(biāo)高處的縱橫方向設(shè)置剛度較大的基礎(chǔ)梁加以連結(jié)，故首層層高應(yīng)從基礎(chǔ)面算起;
(2)若基礎(chǔ)(承臺(tái))面標(biāo)高與首層標(biāo)高有一定距離而不設(shè)基礎(chǔ)梁連結(jié)或其剛度過小，則地面標(biāo)高處應(yīng)設(shè)有剛性地面來作為結(jié)構(gòu)嵌固端，首層層高可從地面層算起。若不設(shè)剛性地面，則上部結(jié)構(gòu)無從形成嵌固端，也即結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖不成立，設(shè)計(jì)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(gòu)的嵌固端，其下部結(jié)構(gòu)必須具有足夠的剛度以保證柱根之間不產(chǎn)生相對(duì)位移，且能承受或平衡柱根彎矩。規(guī)范中規(guī)定“當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰上部結(jié)構(gòu)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(guān)的技術(shù)問題
結(jié)構(gòu)嵌固端的形成或者說上部結(jié)構(gòu)對(duì)嵌固端的要求，在工程設(shè)計(jì)中還可引伸出若干相關(guān)的技術(shù)問題及其正確的設(shè)計(jì)方法，以下將分別探討。
(1)單層地下室
當(dāng)高層建筑僅設(shè)單層地下室且底板采用天然地基筏板基礎(chǔ)或樁一筏基礎(chǔ)時(shí)，通常選擇基礎(chǔ)底板而非首層作為結(jié)構(gòu)嵌固端，這有利于充分利用其基礎(chǔ)的“無限”剛度，為首層樓面的靈活結(jié)構(gòu)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(gòu)，都不影響結(jié)構(gòu)計(jì)算的準(zhǔn)確性。此外，規(guī)范規(guī)定地下室負(fù)一層的抗震等級(jí)與上部結(jié)構(gòu)必須一致，以基礎(chǔ)底板作為嵌固端不會(huì)造成地下室結(jié)構(gòu)造價(jià)的提高，反而可能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。即使單層地下室底板是以樁為基礎(chǔ)的普通梁板結(jié)構(gòu)，一般情況下仍然取底板處為結(jié)構(gòu)嵌固端，唯一例外的是地下室作為抗爆級(jí)別較高的防空地下室時(shí)，其頂板通常具有作為結(jié)構(gòu)嵌固端的剛度，因此可取其作為上部結(jié)構(gòu)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(duì)首層作為嵌固端的結(jié)構(gòu)有著不同的影響。當(dāng)該比例接近1時(shí)，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(gòu)嵌固端就毫無疑問了，但當(dāng)上述投影面積比例<<1時(shí)，說明地下室側(cè)限遠(yuǎn)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(yán)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(gòu)側(cè)移的計(jì)算值，同時(shí)首層骨架構(gòu)件也會(huì)由于自身的變形而產(chǎn)生附加內(nèi)力。此時(shí)地下室頂板不能形成有效的嵌固，SATWE信息中回填土對(duì)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(duì)柱網(wǎng)的要求也不同，故通常需設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。當(dāng)大底盤的商用部分層數(shù)不多(如僅1—2層)，且結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)于大底盤的屋頂標(biāo)高處時(shí)，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(shí)可以如此假定，這一考慮基于以下兩點(diǎn)：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(shè)置轉(zhuǎn)換層，故大底盤的樓層平面剛度遠(yuǎn)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(gòu)，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(gòu)計(jì)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(gòu)進(jìn)行計(jì)算，其嵌固端也不像結(jié)構(gòu)初算階段選擇在大底盤屋頂標(biāo)高處。
大底盤與上部各個(gè)塔的剛度如何計(jì)算規(guī)范沒要求，SATWE僅給出1號(hào)塔與大底盤的剛度比;龔思禮主編的《建筑抗震手冊(cè)》提出：在計(jì)算大底盤多塔結(jié)構(gòu)的地下室樓層的剪切剛度比時(shí)，大底盤的整體剛度與所有塔樓的總體剛度比不應(yīng)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(chǔ)技術(shù)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(duì)于上部結(jié)構(gòu)為框架、剪力墻或框剪結(jié)構(gòu)的多層地下室，當(dāng)?shù)叵率业膶娱g側(cè)移剛度大于等于上部結(jié)構(gòu)層間側(cè)移剛度的1.5倍時(shí)，地下一層結(jié)構(gòu)頂部可作為上部結(jié)構(gòu)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(shí)，計(jì)算地下室相對(duì)剛度時(shí)，只能考慮塔樓及其周圍抗側(cè)力構(gòu)件的貢獻(xiàn)(去2倍層高范圍或45度線范圍的構(gòu)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(shè)結(jié)構(gòu)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(jì)算比較符合實(shí)際，當(dāng)群房連接薄弱，塔間凈距》3倍塔寬(或3倍群房高)按單塔計(jì)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(gòu)設(shè)計(jì)，高規(guī)10.2.20，與轉(zhuǎn)換層相鄰樓層的樓板也應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。剛度比采用剪切(彎)法及第三種方法。
對(duì)于大底盤為地下室的多塔結(jié)構(gòu)，不論頂板是否嵌固，上部結(jié)構(gòu)可以不按多塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但地下室應(yīng)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(dú)立結(jié)構(gòu)時(shí)，地上的各個(gè)結(jié)構(gòu)一般不屬于高規(guī)10.6規(guī)定的多塔結(jié)構(gòu)，但地下室頂板應(yīng)符合作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位的要求，應(yīng)符合高規(guī)4.5.5的規(guī)定。地下室設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)借鑒多塔模型的靜力計(jì)算方法，考慮上部各個(gè)結(jié)構(gòu)的影響。
PS：“塔”的概念：這里的塔是個(gè)工程概念，指的是四邊都有迎風(fēng)面且在水平荷載作下可獨(dú)自變行的建筑體部。將多個(gè)塔建同一個(gè)大底盤體部上，叫多塔結(jié)構(gòu)。 (2)多塔結(jié)構(gòu)的定義：對(duì)與大底盤多塔結(jié)構(gòu)、巨型框架結(jié)構(gòu)，如果把裙房部分按塔的形式切開計(jì)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(shí)考慮塔與塔的相互影響。對(duì)于多塔結(jié)構(gòu)，各剛性樓板的信息程序自動(dòng)定義。但其包含區(qū)域需由用戶定義。 (3)分縫結(jié)構(gòu)：在一個(gè)大的建筑體部里，因設(shè)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(gòu)。分縫結(jié)構(gòu)與多塔結(jié)構(gòu)區(qū)別是四邊中有的邊不是迎風(fēng)面。(4)對(duì)分縫結(jié)構(gòu)各塊要分開計(jì)算。分縫結(jié)構(gòu)”的上部結(jié)構(gòu)被縫分成若干個(gè)規(guī)則的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元，各單元之間完全分開，有獨(dú)立的變形，如果忽略基礎(chǔ)變形影響，各單元之間相對(duì)獨(dú)立;而“多塔結(jié)構(gòu)”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(yīng)用中的問題解析!
(4)高層建筑的基礎(chǔ)埋深
在研究探討高層建筑的結(jié)構(gòu)嵌固端時(shí)，必然牽涉到其基礎(chǔ)埋深問題，高層建筑基礎(chǔ)要具有一定的埋置深度，首先是為了保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定(包括抗滑)，其次有利于減弱地震反應(yīng)。規(guī)范對(duì)高層建筑的基礎(chǔ)埋深有一量化規(guī)定，即“天然地基或復(fù)合地基基礎(chǔ)，可取階15，樁基礎(chǔ)可取階18”，但這一規(guī)定僅與建筑物的總高度有關(guān)，而與其它因素?zé)o關(guān)。
但我們?cè)谡J(rèn)真思考后發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)埋深除了與建筑物總高度有關(guān)外，還應(yīng)與控制高層建筑體型重要指標(biāo)的高寬比風(fēng)心有關(guān)。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(fēng)/B值較小者整體穩(wěn)定性更高，若采用相同的基礎(chǔ)形式，則階B值較大者其基礎(chǔ)埋深應(yīng)更大。換言之，基礎(chǔ)埋深對(duì)月/B較大者應(yīng)偏于嚴(yán)格，而對(duì)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(chǔ)需一定埋深的原則。除了高寬比風(fēng)/6外，基礎(chǔ)埋深還應(yīng)與高層建筑的裙房底座寬度、地下室底盤寬度等因素有關(guān)，對(duì)地下室面積僅為塔樓投影面積者應(yīng)偏于嚴(yán)格，相反對(duì)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(gòu)嵌固端的首層樓面(地下室頂板)，其正常使用時(shí)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(shè)計(jì)中要考慮施工過程中可能產(chǎn)生的施工荷載，對(duì)于首層梁板構(gòu)件取活載8.0—10.0kN/m2則往往是必要的。
當(dāng)高層建筑主體結(jié)構(gòu)建至2層樓面時(shí)，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(shè)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(shí)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(gòu)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(yīng)力的需要，特別是由于開發(fā)商的原因可能導(dǎo)致地下室頂板完成后要裸露一段時(shí)間(從幾個(gè)月到幾年不等)，為了防止或減少由于暴曬或暴露時(shí)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(gòu)嵌固端剛度要較大的要求。
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