关于高层建筑结构设计中地下室嵌固作用

摘要：目前来讲，高层建筑具有节省空间以及地理区域的巨大优点，受到越来越多的关注，但是在高层建筑工程建设中，高层建筑上部分承载了比较大的负荷，地基埋置深度也比较深。如此一来，地下室嵌固的效果就可能对建筑后期的使用以及控制成本造价产生直接影响。因此，对地下室嵌固问题进行研究和分析是非常有必要的，只有完成好了解和分析工作，才能够完善地下室嵌固技术，保证高层建筑质量。
关键词：高层建筑、结构设计、地下室嵌固作用

一、前言
高层建筑是一个完整承载力体系，主要由上部结构和地下室两部分组成，两者在同一个位移场，之间互相协调变形。结构一定程度受到地下室外的回填土的约束作用，仅受到水平位移约束，并没有对竖向位移和竖向转动限制。由于这些原因，在进行在高层建筑设计时，分析计算结构分析之前一定首先明确结构嵌固端的所处位置，因为它除了对结构中某些构件内力分配的准确性具有直接作用，还对结构产生侧移的真实性具和结构局部的经济性具有很大影响，本文主要探讨了结构嵌固端的选取等技术问题。

二、地下室对上部结构嵌固作用的主要分析方法

1、在设计结构时，带地下室的高层建筑计算模型一般有下面几个主要问题：

（1）如何对地下室的刚度合理考虑。
（2）如何准确反映回填土对地下室的约束作用。
（3）如何对基础作用加以考虑分析。现阶段在设计上部结构时不直接考虑基础的作用，通常是检测设在基础面上约束，或者在施工模拟荷载时近似考虑。为合对地下室的刚度合理考虑，通常是把地下室和上部结构一起建模。针对回填土对地下室约束作用的分析方法，近年来，理论研究较多，获得了一定的研究成果。 先行主要两种：有嵌固水平位移法和弹簧刚度法：

2、嵌固水平位移法

要把上部的结构和地下室的结构看成一个完整的体系来分析，嵌固的位置要在基础的底板的地方，还要根据具体的结构和临近的楼层不同侧向的刚度的比较，更好的做好位置的选择，便于限定水平的位移为零。计算楼层侧向刚度的方法主要有剪切刚度、剪弯刚度以及楼层剪力与层间位移的比值三种。这三种方法含义不一样，计算结果差别也比较大。在设计方案时，地下室侧向刚度比一般用剪切刚度比；设计施工图时，采用楼层剪力与层间位移的比值计算。
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。是一种与外力有关的计算方法。在相关规范中，除了包括了地震力产生的位移，还包括作用在该楼层的倾覆力矩、产生的位移以及因为下一层的楼层转动而造成的本层刚体转动位移。
（2）剪弯刚度。实际上就是单位力作用下的层间位移角，因此其刚度比同样是层间位移角之比。它尽管可以同时考虑剪切变形与弯曲变形的影响，但未考虑上下层对本层的约束。
（3）剪切刚度。该计算方法主要是剪切面积和相应层高的比，其大小受结构竖向构件的剪切面积和层高影响。剪切刚度未对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进行考虑。

3、弹簧刚度法

考虑

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时，把上部结构和地下室作为一个整体，嵌固部位设在基础底板处，而且在每层地下室的楼板处导入水平弹簧刚度，其值的大小与回填土对地下室约束作用的强弱相关。SATWE软件中的参数“回填土对地下室作用的相对刚度比”，意思就是回填土的约束刚度与地下室本身抗侧移刚度的比值，检测如取值为0，表示不对回填土的约束作用加以考虑；检测如取值在l～5之间，表示回填土具有一定的约束作用，取值与约束作用强度成正比；检测如取值是负值，表示地下室有嵌固部位，在其下部的各层没有水平位移。

四、结构软件对地下室结构的处理方法

在实际工作中，常常用到SATWE有限元软件计算分析结构，主要采取以下三种方法处理嵌固端的选取问题：
1、把地下室底板作为嵌固端，取0为相对刚度比，这种方法未考虑到地下土体对地下室的侧面嵌固作用，使结构计算高度增加，计算模型和实际情况之间有所误差，通常都不采用。
2、把地下室底板作为嵌固端，取相对刚度比在2～4之间，通常取3这种方法一定程度上考虑到地下室外的土压力，但是因为土对地下室的约束作用的影响因素非常复杂，很难确定具体约束作用的大小，尽管这种方法不够精确，但是与前一种方法相比稍好，也是现阶段工程界应用最多的方法之一。
3、取地下室嵌固端在地下室顶板处，分开计算地下室结构与上部结构，或者进行整体计算，然而相对刚度比取5或者更大这种方法，地下室相对于水平位移和竖向位移完全被嵌固，造成结构的刚度有所增加，从而与实际情况出现差别。

五、地下室顶板作为上部结构嵌固部位的要求

嵌固端的选取虽然非常重要，但是在嵌固端选定后，如何确保其成为真正的嵌固端也是设计人员面临的重要问题。《抗规》6.1.14条规定了地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时的相关要求。主要有下四点：首先，楼板厚度应≥180mm；其次，混凝土强度等级应≥C30，应采用双层双向配筋，并且每层每个方向的配筋率应≥0.25％；再其次，顶板应避免开大洞；最后，地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部楼层侧向刚度的2倍。规范这样规定的目的是考虑到柱在地上一层的下端出现塑性铰而不是梁柱节点两侧的梁出现塑性铰。一般采取提高地下室顶板梁受弯承载力且增大地下室柱顶的受弯承载力的方法来处理柱底的嵌固。
地下室侧向刚度和上部楼层结构侧向刚度比很大程度上影响了地下室嵌固作用的大小。利用规则框架模型，使地下室结构的侧向刚度发生变化，对结构的动力、内力以及变形特性进行。在侧向刚度比小于2的情况下，是否考虑地下室回填土的约束作用，误差相对比较明显；在侧向刚度比大于2的情况下，两种建模方式的计算结果相对误差较小，表示此时地下室建模是否嵌固对结构性能计算结果影响较小，验证了规范规定当地下室侧向刚度与上部结构侧向刚度比大于2的条文规定。由于地下室顶板厚度的增大，嵌固端选取在底部还是顶部两种模型内力误差值减小，但是因为两种模型质量以及刚度上的差异，想要做到完全无误差，顶板必须要达到面内面外完全无限刚度，在实际中无法实现，因此规范建议板厚应大于l80mm，并且还要重视柱内力的调整：同时规定顶板的开动率也是为了确保顶板具有一定的刚度。
六、结语
总体来讲，高层建筑上部分所受负荷较大，基础设埋较深，因此地下室的嵌固作用就显得相当重要，对整个建筑的质量以及安全问题有直接影响，所以设计好地下室的嵌固结构尤为重要，正是由于其内部结构比较复杂以及依旧存在一些问题，所以结构的设置更值得人们探讨研究，想要采取更适当的措施，确保了建筑质量经济以及最终的安全，只有优化结构设计，准确计算分析嵌固结构模型。
参考文献：
［1］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》，《工程建设与设计》2011年第S1期
［2］陈振：《关于高层建筑结构设计中地下室嵌固作用的思考》，《建筑》， 2011年18期
［3］吕洪峰：《高层建筑结构设计中地下室嵌固作用的思考》，《科技创新与应用》， 2012年09期
［4］田磊 刘淑华 刘胜光：《高层结构中地下室的嵌固作用探讨》，《科技致富向导》， 2011年27期