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高層建築結構設計如何選取結構嵌固端

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在高層建築結構設計中,無論選擇哪個部位作為結構嵌固端,都可以通過結構計算程式獲得準確的計算結果,但我們期望的是計算結果較真實地反映結構的實際情況。為了達到這一目的,結構計算時輸入正確的引數和資料固然相當重要,但結構嵌固端的確定對結構計算結果的影響也相當大,因此重視結構嵌固端的確定並非微不足道,且在嵌固端確定後設計中如何保證其成為真正的嵌固端,還有許多細節有待研究和完善,這是結構設計人員不能忽視的重要環節。

高層建築結構設計如何選取結構嵌固端

  1、引言

高層建築在進行結構分析計算之前必須首先確定結構嵌固端的所在位置,而嵌固端的選取卻面臨著各種不同情況,如不設地下室但基礎埋深較大;沒有地下室但其層數或多或少,且基礎形式不同等。根據以上情況正確選取其結構嵌固端,是高層建築結構計算模式中的一個重要假定,它不僅關係到結構中某些構件內力分配的準確性,而且還影響結構產生側移的真實性,以及結構區域性的經濟性,因此有必要對結構嵌固端的選取作進一步探討,並由此引伸出若干相關的技術問題。

  2、結構嵌固端的條件

高層高層建築的結構嵌固端通常是選擇在地面標高處,但地面標高處要真正成為結構嵌固端是有條件的,而且在輸入首層計算高度時還有許多講究。

2.1設有地下室時的條件

(1)地下室頂板標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構嵌固端(即室外地坪與地下室頂板的高差大於層高的1/3),除非其高差僅為1—3級臺階高度時才可能考慮;

(2)地下室頂板結構應為樑板體系(即不可設計成無樑樓蓋),且該層樓面不得留有大孔洞,並且滿足抗震規範6.1.14的要求(剛度和樑柱受彎承載力要求)

(3)地下室側壁要有良好的側限,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構嵌固端的原因就是不滿足此條件。且地下室側壁 離塔樓邊不超過3倍地下負一層層高。

對於上述條件中對首層樓面框架樑的要求,假設滿足《抗震規範》第6.1.14條“位於地下室的樑柱節點左右樑端截面實際受彎承載力之和不宜小於上下柱端實際受彎承載力之和”和剛度比的要求,最關鍵是做到地震時地上一層的柱底出現塑性鉸,相當於強梁弱柱的概念。嚴格來說,嵌固端柱底的彎矩應該由地下室頂板樑和地下室柱的柱頂 彎矩共同承擔,即採用提高地下室頂板樑和地下室柱頂的受彎承載力的方法實現柱底的嵌固條件。一般情況下均能滿足,不滿足也要創造條件滿足(另一種意見是這種情況對高層建築來說很難滿足,因為高層的`柱底彎矩太大,鑑於此,需要把嵌固端下移至基礎頂面)

2.2不設地下室時的條件

高層建築不設地下室通常是針對層數有限的小高層,或其基礎持力層較淺的情況,但從抗震角度考慮是不宜提倡的。

(1)不管是採用天然地基基礎或樁基礎,都是以基礎(承臺)面作為結構嵌固端,且必須在該標高處的縱橫方向設定剛度較大的基礎樑加以連結,故首層層高應從基礎面算起;

(2)若基礎(承臺)面標高與首層標高有一定距離而不設基礎樑連結或其剛度過小,則地面標高處應設有剛性地面來作為結構嵌固端,首層層高可從地面層算起。若不設剛性地面,則上部結構無從形成嵌固端,也即結構計算簡圖不成立,設計上顯然是不允許的。

以上列舉的條件無非是說明要成為上部結構的嵌固端,其下部結構必須具有足夠的剛度以保證柱根之間不產生相對位移,且能承受或平衡柱根彎矩。規範中規定“當地下室頂板作為上部結構嵌固部位時,地下室結構的樓層側向剛度不應小於相鄰上部結構樓層側向剛度的二倍”正是基於這一考慮。

  3、與嵌固端相關的技術問題

結構嵌固端的形成或者說上部結構對嵌固端的要求,在工程設計中還可引伸出若干相關的技術問題及其正確的設計方法,以下將分別探討。

(1)單層地下室

當高層建築僅設單層地下室且底板採用天然地基筏板基礎或樁一筏基礎時,通常選擇基礎底板而非首層作為結構嵌固端,這有利於充分利用其基礎的“無限”剛度,為首層樓面的靈活結構選型創造條件,即使是首層樓面留有大孔洞,或選用無樑樓蓋結構,都不影響結構計算的準確性。此外,規範規定地下室負一層的抗震等級與上部結構必須一致,以基礎底板作為嵌固端不會造成地下室結構造價的提高,反而可能取得較好的經濟效益。即使單層地下室底板是以樁為基礎的普通樑板結構,一般情況下仍然取底板處為結構嵌固端,唯一例外的是地下室作為抗爆級別較高的防空地下室時,其頂板通常具有作為結構嵌固端的剛度,因此可取其作為上部結構的嵌固端。

(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首層作為嵌固端的結構有著不同的影響。當該比例接近1時,若首層樓面符合作為嵌固端的其它條件,則該首層作為結構嵌固端就毫無疑問了,但當上述投影面積比例<<1時,說明地下室側限遠離塔樓,塔樓發生的側向位移將波及首層樓面並使其發生變形,即使變形量很小,但嚴格說來首層作為嵌固端的剛度必然小於前一種情況,且變形又增大了上部結構側移的計算值,同時首層骨架構件也會由於自身的變形而產生附加內力。此時地下室頂板不能形成有效的嵌固,SATWE資訊中回填土對地下室的約束剛度比宜