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；設(shè)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，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)成元梁樓蓋)，且該層樓面不得留有大孔洞，樓面框架梁的抗彎剛度要足夠大，樓板也要有相當(dāng)厚度；(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。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”的要求，對(duì)于高層建筑來說，由于首層處的柱截面往往遠(yuǎn)大于框架梁截面，故即使有意增大框架梁截面并增加抗彎鋼筋用量，上述要求仍很難滿足。就此要求而言，則只有多層或小高層建筑才有可能以首層頂板作為結(jié)構(gòu)的嵌固端，而真正意義的高層建筑則完全排除了這種可能性。
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*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。作為有經(jīng)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)工程師，在實(shí)際設(shè)計(jì)中都會(huì)根據(jù)工程實(shí)際情況予以鑒別并作出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)處理。
(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，如圖3所示。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。
(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月有關(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月有關(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(chǎng)所，或用于堆放材料(袋裝水泥、砌塊、搭架鋼腳手架等)，或用于鋼筋加工，甚至作為載重汽車的行駛停放場(chǎng)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。
4.結(jié)束語
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)。
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