高层建筑结构底部嵌固部位的讨论

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结构底部嵌固部位是个比较复杂的问题，HiStruct读过张维斌总工的一些观点，觉得相当不错，整理出来与大家探讨交流。
高层建筑一般都带着多层地下室，而在进行结构分析之前必须确定结构的嵌固部位，该嵌固部位的正确选择是高层建筑结构计算模型的一个重要环节，它直接关系到结构计算模型与实际受力状态之间的符合程度，涉及到构件的内力和位移计算。那么什么是嵌固部位呢？一般的观点是嵌固部位可以认为就是预期竖向构件塑性铰出现的部位（HiStruct注：有些人认为嵌固层应满足刚度的要求，即嵌固层的位置不影响整理结构的周期和位移等，这样的观点对于高层建筑而言实际上非常难满足）。嵌固层部位分析和选择涉及到的一些问题具体包括：
一、地下室的建筑宜将上部结构的嵌固部位设在地下室顶板，此时应满足下列条件：1) 地下室顶板与室外地坪的高差不能太大，一般宜小于本层层高的1/3。（HiStruct注：假如高差过大，那么其实相当于此处存在一个错层，这对于水平力的传递非常不利）2) 地下室顶板应为梁板体系，楼面框架梁应有足够的抗弯刚度，地下室顶板的梁截面实际受弯承载力之和不宜小于上下柱端实际的承载力之和。（HiStruct注：对于一般高度的高层建筑而言，这一点或许可以实现，但是对于较高的高层建筑而言，这一点很难实现，因为柱很多是轴压比控制了尺寸，而非实际的承载力，这一点对于超高层建筑而言，根本无法满足）3）地下室结构的布置应保证地下室顶板及地下室各层楼板有足够的平面内整体刚度和承载力，能将上部结构的地震作用传递到所有的地下室抗侧力构件上，为此地下室顶板的厚度不宜小于180mm，且该层楼面不得留有大洞，混凝土强度等级不得小于C30，并应双层双向配筋，每个方向每层配筋率不小于0.25%。（HiStruct注：实际上塔楼的水平力传递一般不会到所有的地下室抗侧力构件，比如大概45度锥体范围内的构件能共同作用才是最关键的，这个范围内的稍大开洞都必须根据传力途径做剩余楼板承载力复核）4) 地下室结构应能承受上部结构屈服超强及地下室本身的地震作用，地下室的楼层剪切刚度不小于相邻上部结构楼层剪切刚度的2倍。一般情况下，地下室外墙可参与地下室楼层剪切刚度的计算，但是当地下室外墙距离上部塔楼太远时，则在确定结构底部嵌固部位时，则不宜考虑其参与楼层剪切刚度的计算。5) 地下室柱截面每侧配筋面积除应满足计算要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积，地下室剪力墙的配筋也不应少于地上部分。6) 上部为多塔且地下室连成一片时，应满足两条：（a）大底盘地下室的整体刚度与上部所有塔楼的总刚度之比应满足2倍的要求。（b）每栋塔楼范围内（可取塔楼向周边外扩45度范围）的地下室楼层剪切刚度与相邻上部塔楼的剪切刚度之比不小于1.5。（HiStruct注：这虽然不是规范规定的方法，但是也是被默许采用的方法，实际上有待商榷，见最后的补充说明）
二、若由于地下室大部分顶板与地面高差较大，开大洞，或地下一层为车库墙体很少等原因，造成剪切刚度比计算不能满足顶板作为结构嵌固部位的刚度计算要求时：1) 可以将结构嵌固部位置于地下一层底板，此时除了应满足上面所提到的条件外，还必须满足下列条件：（a）地下一层的楼层剪切刚度应大于地上一层的楼层剪切刚度；（b）地下二层的楼层剪切刚度应大于地上一层的楼层剪切刚度的2倍。
三、HiStruct补充一些说明1）嵌固层部位的选择还涉及到地震能量的大小，假如地下室有20米深，那么嵌固在地面与嵌固在基础底板上，实际地震波是不一样，嵌固在基础时地震波比较小，因为地震波是一个逐渐放大的过程，但是此时结构的总质量又大，因此很难权衡嵌固在哪里计算更合适。实际上很多较高的高层建筑的底部嵌固情况都是界于地面和基础之间的，因此对于有些重要的项目，经常取不同的嵌固层都计算进行包络和偏保守设计，并且整个构造都是要考虑的。2）关于梁柱承载力的设计要求，为了保证嵌固层处实现“强梁弱柱”的塑性铰破坏机制要求，需要梁设计的非常巨大，而对于很高的楼而言由于柱子太大（小偏压），这个承载力条件一般满足不了，因此光从刚度比一个角度来评价和确定嵌固层是不够的，合理的高层结构设计，应该要考虑相对承载力的影响。