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高层建筑结构嵌固端的选取及相关技术问题
1. 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,而嵌固端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;设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,因此有必
要对结构嵌固端的选取作进一步探讨,并由此引伸出若干相关的技术
问题。
2. 结构嵌固端的条件
高层建筑的结构嵌固端通常是选择在地面标高处,但地面标高处
要真正成为结构嵌固端是有条件的,而且在输入首层计算高度时还有
许多讲究。
2 .1 设有地下室时的条件
(1)地下室顶板标高与室外地坪的高差不能太大,极端的情况如半地
下室则首层楼面一般不能成为结构嵌固端,除非其高差仅为 1—3 级
台阶高度时才可能考虑;
(2)地下室顶板结构应为梁板体系(即不可设计成元梁楼盖) ,且该层楼
面不得留有大孔洞,楼面框架梁的抗弯刚度要足够大,楼板也要有相
当厚度;
(3)地下室侧壁要有良好的侧限,即必须与 “地球”有良好的接壤,
上述半地下室顶板不能成为结构嵌固端的原因就是不满足此条件。
对于上述条件中对首层楼面框架梁的要求,假设满足《抗震规范》
第 6 .1.14 条 “位于地下室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”的要求,对于高层建
筑来说,由于首层处的柱截面往往远大于框架梁截面,故即使有意增
大框架梁截面并增加抗弯钢筋用量,上述要求仍很难满足。就此要求
而言,则只有多层或小高层建筑才有可能以首层顶板作为结构的嵌固
端,而真正意义的高层建筑则完全排除了这种可能性。
2 .2 不设地下室时的条件
高层建筑不设地下室通常是针对层数有限的小高层,或其基础持
力层较浅的情况,但从抗震角度考虑是不宜提倡的。
(1)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,则地面标高处应设有刚性地面来作为结构嵌固端,
首层层高可从地面层算起。若不设刚性地面,则上部结构无从形成嵌
固端,也即结构计算简图不成立,设计上显然是不允许的。 以上列
举的条件无非是说明要成为上部结构的嵌固端,其下部结构必须具有
足够的刚度以保证柱根之间不产生相对位移,且能承受或平衡柱根弯
矩。规范中规定“当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时,地下室结
构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的二倍”正
是基于这一考虑。
3. 与嵌固端相关的技术问题
结构嵌固端的形成或者说上部结构对嵌固端的要求,在工程设计
中还可引伸出若干相关的技术问题及其正确的设计方法,以下将分别
探讨。
(1)单层地下室 当高层建筑仅设单层地下室且底板采用天然
地基筏板基础或桩一筏基础时,通常选择基础底板而非首层作为结构
嵌固端,这有利于充分利用其基础的“无限”刚度,为首层楼面的灵
活结构选型创造条件,即使是首层楼面留有大孔洞,或选用无梁楼盖
结构,都不影响结构计算的准确性。此外,规范规定地下室负一层的
抗震等级与上部结构必须一致,以基础底板作为嵌固端不会造成地下
室结构造价的提高,反而可能取得较好的经济效益。即使单层地下室
底板是以桩为基础的普通梁板结构,一般情况下仍然取底板处为结构
嵌固端,唯一例外的是地下室作为抗爆级别较高的防空地下室时,其
顶板通常具有作为结构嵌固端的刚度,因此可取其作为上部结构的嵌
固端。
(2)投影面积比例 高层塔楼在地下室顶板上的投影面积比例
大小对首层作为嵌固端的结构有着不同的影响。当该比例*1 时,若
首层楼面符合作为嵌固端的其它条件,则该首层作为结构嵌固端就毫
无疑问了,但当上述投影面积比例<<1 时,说明地下室侧限远离塔
楼,塔楼发生的侧向位移将波及首层楼面并使其发生变形,即使变形
量很小,但严格说来首层作为嵌固端的刚度必然小于前一种情况,且
变形又增大了上部结构侧移的计算值,同时首层骨架构件也会由于自
身的变形而产生附加内力。作为有经验的结构工程师,在实际设计中
都会根据工程实际情况予以鉴别并作出相应的结构处理。
(3)大底盘多塔楼 大底盘多塔楼大多为商住楼,而
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