多层框架上部结构嵌固部位的合理选取及案例分析

多层框架上部结构嵌固部位的合理选取及案例分析

卢标

上海之景市政建设规划设计有限公司 上海 201399

摘要：建筑结构计算分析过程中,上部结构嵌固部位的确定是一个重要设计参数，尤其对于带地下室建筑,上部结构嵌固部位是否合理选取将直接影响到建筑的安全性、经济性和合理性。本文简要介绍了多层框架结构选取上部结构嵌固部位的注意要点,并重点结合具体设计案例中所碰到的问题及解决方法对此问题进行分析和说明。

关键词：框架结构；上部结构；嵌固部位；侧向刚度 ；相关范围

1多层框架结构上部结构嵌固部位的合理确定

1.1嵌固部位的力学意义

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，所以只有地下室或基础顶面才具备对上部结构嵌固的基本条件，上部其它楼层，即便满足刚度比要求也不能成为其上部结构的嵌固部位，而只能作为刚度突变楼层考虑。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，当然，有些客观条件是可以根据实际情况来创造的。结构设计师要做的是要找出这个面并采取刚度比、板厚等构造措施来对这个面进行加强。

1.2嵌固端的理想部位

首先来看下上海抗震规程对地下室顶板作为上部结构嵌固部位的要求：地下室为一层或两层时，地下一层结构的楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的1.5倍；当地下室超过两层时，地下一层结构的楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的2倍；地下室周边宜有与其顶板相连的抗震墙。带有地下室的建筑，因其防水挡土需要，一般会布置外围挡土墙，从而会大大加强地下室结构的侧向刚度，另外地下室外围回填土对地下室结构的约束作用很大，一般情况下可达地下室结构自身刚度的3~5倍。所以地下室顶板做为框架结构上部结构的嵌固部位时，结构的加强部位明确，地下室结构的加强范围高度小，地下室顶板通常也容易满足规范对上部结构嵌固部位的要求，一般条件下，应尽量将上部结构的嵌固部位选择在地下室顶板，确实不具备条件时才会考虑将嵌固端下移至具备嵌固条件的下部楼层或基础顶面。也有观点认为地下室顶板做为上部结构嵌固端时要采取很多加强措施，那是否可以为节约造价直接把嵌固部位定在基础顶面呢？这其实是忽略了顶板客观存在的嵌固作用，把本应出现在地下室顶板的塑性铰预定在了基础顶面，这其实是不合适也是不安全的，同时也会带来诸如把简单结构变成大底盘多塔复杂结构、有覆土纯地下室顶板与室内顶板为大错层、须要分别把地下室顶板和基础做为嵌固面两种计算模型按包络设计等一系列问题。上海地区当把地下室顶板做为上部结构嵌固端时，有覆土纯地下室顶板与室内顶板高差大于600mm时可以不视为错层结构，即不作为平面不规则判定的其中一条，仅须进行构造加强。

2设计案例分析

2.1项目概况

金立时代广场，建设单位为上海金立房地产开发有限公司。本项目为大型商业综合体，总建筑面积约10万平米，框架结构，地下三层，地上五层，地下2、3层用作车库（兼人防），地下1层用作商业。抗震设防烈度为7度，抗震设防类别为乙类，抗震等级为框架二级。本项目地上建筑长度200米，建筑平面整体呈L形，上部结构亦存在多处弱连接。多层地下室，同一大地下室上的多个结构计算单元，在嵌固端的选取问题上有一定代表性。

2.2 上部结构计算单元的划分

从建筑平面可以看出，本项目上部结构不仅超长而且平面复杂，而设置防震缝可以将复杂结构分割为较为规则的结构单元，有利于减少房屋的扭转并改善结构的抗震性能。所以结构如何划分防震缝兼伸缩缝，以便解决抗震平面不规则问题和结构超长问题，就成为结构设计第一步重要的工作。本项目上部结构充分利用建筑弱连接处、建筑平面拐角处并结合竖向布置划分为七个独立结构单元，并采取在建筑拐角处增设双柱的措施解决分缝后悬挑过大的问题。这一步工作是必须要先解决好的，同时也后续嵌固端选取和满足的多样性及复杂性的客观原因。

图1 上部结构计算单元划分

2.3 地下室顶板做为上部结构嵌固端的实现

本项目即选取地下室顶板作为上部结构嵌固端。满足嵌固端条件的建筑条件如顶板洞口面积均未大于顶板面积的30%、楼板没有较大的错层；结构条件如顶板厚度、混凝土强度、配筋率、采用现浇梁板结构等均比较容易满足。最大的问题是地下室外墙是沿建筑周边布置的，其中一些结构单元下的地下室外墙仅上下两边有而左右两边没有，或者仅一个边下有地下室外墙，而上海市建筑抗震设计规程规定，在计算地下室结构的侧向刚度时，只能考虑塔楼及相关范围的抗侧力构件的贡献，相关范围可以在两个水平方向分别取地下室层高的两倍左右。另外相邻的两个独立计算单元下的抗侧力构件是不能互相借用的，即两个相邻计算单元下地下室顶板相关范围的重叠区只能根据需要划分给一个计算单元。如计算单元5-2#，原始嵌固顶板计算模型平面如下图：

图2 5-2#原始计算模型平面简图

此时仅仅从计算结果数据来看，X和Y两个方向的上下刚度比是完全满足的，见下图：

图3 嵌固端上下层刚度比计算数据

这时反过来再看看抗震规程的这个要求：地下室周边宜有与其顶板相连的抗震墙。这句条文的含义要准确理解，地下室周边的抗震墙绝不仅仅为整个建筑最外围的防水挡土墙，应是每个结构计算单元下都应该有与顶板相连的抗震墙，并且是专属不能与其它计算单元共用的。明确了这个要求就会发现，5-2#计算单元只有两边有地下室外墙，另外两边必须增设混凝土剪力墙体与地下室外墙共同组成全面嵌固，而建筑方案平面布置时是不可能有这些混凝土墙体的。经过与建筑专业反复协商并充分利用地下一层建筑墙体布置混凝土墙体，保证结构单元下四边都有混凝土墙。

图4 5-2#最终计算模型平面简图

对于条文中应使地下室嵌固顶板范围内的刚心与质心的偏差尽可能小这一条，这个是一种理想的状态，也是概念设计的要求，地下室顶板嵌固的多样性和复杂性决定了对这一点很难提出具体量化指标，实际设计时尽量满足即可。同理，其它各计算单元均按照这个原则在地下室内部布置了适量的与其顶板相连的抗震墙。

2.4关于地下二层及地下三层的几个关键问题

本项目有三层地下室，各结构计算单元通过地下一层局部增设混凝土剪力墙体，满足了规范对地下室顶板作为上部结构嵌固部位关于上下侧向刚度比的要求后还会面临一些需要解决的问题，比如这些混凝土墙体要不要一直落到基础顶面？对于一些楼梯间或者落到基础顶面对建筑使用功能没有影响的可以和建筑专业协商落到底，这对于地下室侧向刚度的竖向连续性无疑是有好处的。本项目地下三层和地下二层为地下车库，有些混凝土剪力墙体落下去会对车位布置甚至车道流向产生影响。对于确不能落到基础顶面的混凝土墙体可以这样来处理：对其底部相连的框架梁、柱按转换梁、柱来设计。还有一个问题是地下二层与地下一层的侧向刚度比是不是也要大于2，即K-2/ K-1≥2,继而同样道理也需要K-3/ K-2≥2？这其实是很难实现也没有必要的，因为在地下室平面没有很大突变、不增加很多剪力墙的情况下，要实现地下二层或以下各层其下层的侧向刚度大于上层2倍，则几乎是不可能的，规范对此也没有具体的规定，笔者认为只要不小于上层的侧向刚度即可。

3结束语

在实际的设计项目中，每个工程的上部结构和地下室关系和形式是千变万化，特别是地下室层数较多时，如地下室顶板因自动扶梯或下沉广场而在顶板上开大洞口；地下一层与首层的侧向刚度比不满足规范要求等，上部结构嵌固部位的确定和实现确实会有各种各样的实际困难，做为我们结构设计人员一定要领会规范的本意，灵活运用，通过合理化的调整来即满足规范的各项控制要求又兼顾经济性。

参考文献：

[1]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）.

[2]《建筑抗震设计规程》DGJ08-9-2013.

[3]《金力时代广场总体设计文件抗震审查意见单》浦工抗总设（2017）第020号.

[4]《建筑结构设计问答及分析》朱炳寅.