地下室顶板作为上部结构嵌固部位的探讨

地下室顶板作为上部结构嵌固部位的探讨摘要：通常高层建筑均设计有地下室结构，而在选择结构的嵌固部位时要保证其合理性与正确性，因为嵌固位置的选择对结构计算模型的建立、受力状态的符合程度等有着直接的关系。本文就针对选择地下室作为结构嵌固端常用方法进行简单介绍，并说明利用satwe软件进行结构设计的方法，对嵌固端选择地下室顶板位置时需满足的条件进行分析，以及地下室顶板无法作为嵌固部位时的观点，最后提出确定上部结构嵌固端的楼层侧向刚度比的方法。

关键词：地下室结构；上部结构的嵌固部位

1 选择结构嵌固端常用方法

1.1 嵌固水平位移法

该方法是把地下室与上部结构作为一个整体进行考虑，通常在基础底板处设置嵌固端，然后计算出地下及上部结构各楼层侧向刚度比的大小（不考虑回填土对地下室楼层侧向刚度的贡献），根据计算的楼层侧向刚度比确定上部结构在地下室的嵌固部位，即认为其所对应部位的水平位移要求为零。利用嵌固水平位移法确定嵌固端，最主要的问题就是计算楼层侧向刚度比。通常计算楼层侧向刚度的方法包括三种，即剪切刚度、剪弯刚度以及抗震规范中所建议的计算方法。实际应用过程中三者的具体含义各不相同，计算结果也存在较大差异。抗震规范提出的计算方法建议设计方案过程中，可以利用剪切刚度比将地下室侧向刚度比估算出来。而“高规”宣

贯培训材料则建议在设计过程中可以直接利用剪切刚度比作为地下室侧向刚度比，或者采用楼层剪力与层间位移的比值。地下室结构与相邻上部结构楼层侧向刚度比值满足相关规范要求后，即可取地下室及以下各层地下室顶板处的水平位移为零的位置作为水平位移嵌固部位。

1.2 弹簧刚度法

利用弹簧刚度法进行计算时，同样是把将部结构与地下室作为一个整体加以考虑，不过其嵌固端通常选在基础底板位置，并将水平弹簧刚度引入每层地下室的楼板处，水平弹簧刚度值的大小体现出地下室受回填土约束作用的高低。在实际工程中采用弹簧刚度法确定嵌固端，需要将水平弹簧刚度的具体值确定出来，该过程相对比较困难。因为地下室本身会受到回填土的约束作用，而这种约束作用又受到多种因素的影响，情况十分复杂，观察不易，因此要确定出具体约束作用的大小十分困难。所以在三维组合结构有限元分析软件satwe中并不要求用户输入水平弹簧刚度的真实数值，而是输入回填土对地下室约束作用的弹簧刚度比，该值是基础回填土对结构约束作用的刚度与地下室抗侧移刚度的比值，若取0，则认为基础回填土对结构没有约束作用；如果取值为5.0以上，则认为地下室无水平位移。取值为0以及取值为5.0为两个极端，实际工程应该是介于二者之间。大量工程实践经验证明，一般工程设计中相对刚度比的合理取值范围在2.0-4.0之间。

2 利用satwe软件进行结构设计的常用方法

通常实际的工程中利用satwe软件进行结构设计时，可以采取下列方法：①嵌固端选择地下室底板，相对刚度比的取值为0。采用这种方法会得出相对保守的计算结果，结构的计算高度有所增加，而地下土体对地下室侧面的嵌固作用等因此未考虑在内，因此计算模型与实际情况的误差还是比较大的；②嵌固端同样选择地下室底板，但是相对刚度比的取值范围在2-4之间。该方法将地下室外的土压因素考虑了进来，但是地下室受到土压约束作用的情况受诸多因素的影响，因此约束作用的大小也很难量化，最终计算结果的准确性无法保证，因此该方法也不够精确，通常应用于不考虑土压或者假设土压无限大的情况；③嵌固端选在地下室顶板处，计算过程中将地下室结构与上部结构分开进行。应用该方法所确定的结构计算高度为地面以上的实际高度，比较符合风荷载与实际情况，因此该方法也是比较常用的计算方法。不过其近似认为地下室刚度为无限大，相当于将水平位移与竖向位移进行完全嵌固，人为地增加了结构的刚度，因此同样会与实际情况存在差异。

3 地下室顶板作为嵌固端的必要条件的分析

为了能使地下室顶板作为上部结构的嵌固部位，地下室顶板应避免开设大洞口，确保上部结构嵌固部位的整体性，确保水平地震剪力的传递路径，常有建筑因设置下沉式广场、自动步梯等导致楼板开洞过大，对楼板的整体性削弱过大，迫使嵌固部位下移。

为了确保楼层平面外和平面内刚度，地下室在地上结构相关范围的顶板应采用现浇梁板结构，相关范围以外的地下室顶板宜采用现浇梁板结构，并且楼板厚度不宜小于180mm，混凝土强度等级不宜小于c30，应采用双向双层配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。对楼盖结构形式、楼板厚度及配筋提出详细要求，就是要通过采取结构措施，加强楼层的平面内和平面外的刚度，实现结构计算的刚性楼板的假定。现浇梁板结构的楼层平面外刚度较大，地震作用下，楼板的平面外变形较小，符合刚性楼板的假定，有利于传递水平地震剪力，相对于梁板结构而言，无梁楼盖结构的平面外刚度较小，难以符合刚性楼板计算假定的基本要求，对传递水平地震剪力和协调结构变形不利。

结构地上一层的侧向刚度，不宜大于相关范围地下一层侧向刚度的0.5倍，也就是高层建筑技术规程规定的地下一层与首层侧向刚度比不宜小于2.0；规范这样规定，是为了使地下结构的侧向刚度相对上部结构而言足够大，从而满足嵌固部位理论上应具备的两个基本条件：①该部位的水平位移为零；⑦该部位的转角为零。规范提出了相关范围的概念，是考虑上部结构周边地下室对上部结构有效约束刚度的贡献程度，地下室上部结构周边越往外延，对上部结构的约束刚度越小。抗震规范规定相关范围指上部结构周边外延20m，高层建筑技术规程规定相关范围指地上结构外扩不超过三跨的地下室范围，从而保证了实际地下结构与上部结构的侧向刚度比

满足要求，计算结果利于安全。还应注意，地下结构的楼层侧向刚度是指结构自身的刚度，在确定上部结构嵌固部位时，楼层侧向刚度比的计算中不考虑侧壁回填土对地下室外墙的约束作用。

抗震规范要求地下室周边宜有与其顶板相连的抗震墙。通常计算地下室楼层剪切刚度的过程中可以考虑地下室外墙，不过如果地下室外墙与上部塔楼的距离过大，超出了上述相关范围时，则在确定结构底部嵌固部位时，针对楼层剪切刚度的计算则不考虑地下室外墙。

地下室顶板对应于地上框架柱的梁柱节点除应满足抗震计算要求外，尚应符合下列规定之一：

（1）地下柱截面每侧纵向钢筋不应小于地上一层柱对应纵向钢筋的1.1倍；且地下一层柱上端和节点左右梁端实配的抗震受弯承载力之和应大于地上一层柱下端实配的抗震受弯承载力的1.3倍。

（2）地下一层梁刚度较大时，柱截面每侧的纵向钢筋面积应大于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍；同时梁端顶面和底面的钢筋面积比计算增大10%。

规范这样规定是为了确保塑性铰只能在上柱底部截面出现，从而保证嵌固部位的梁端和下柱上端不出现塑性铰。在实际设计施工时应将地下室柱增加的纵向钢筋在地下室顶层梁板内弯折锚固，避免同时对一层柱底截面实际受弯承载力的加大。现在有些设计单位采用直接将上部结构柱根配筋放大1.1倍作为地下一层和地上一层