如何确定结构设计嵌固端(值得收藏)

如何确定结构设计嵌固端

0前言

建筑结构在进行结构分析计算之前必须首先确定结构嵌固端的所在位置,而嵌固端的选取按照《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010（以下简称“高规”）和《建筑抗震设计规范》GB5011-2010（以下简称“抗规”）都要满足一定的条件,比如在地下室顶板嵌固需要满足相关范围内地下一层构件剪切刚度与上层构件剪切刚度比大于2,同时地下室顶板还需满足一定的构造要求,如果地下室顶板达不到嵌固条件,嵌固端下移,下移之后的嵌固端位置一般为地下室底板.实际工程中也由于各种特殊的情况,比如错层、夹层、坡地建筑、大底盘多塔结构等导致嵌固部位不太好确定,当然嵌固部位的确定也与是否有地下室、地下室层数的多少及基础形式都均有关系.不同的嵌固端位置会影响结构梁柱构件内力的调整、底部加强区的高度、梁柱构件配筋放大的处理等,对于经济性会产生一定的影响.本文结合规范嵌固端相关要求,对当前设计中存在的一些问题进一步分析,加深设计师对于结构嵌固相关问题的理解及对提高设计师对实际工程问题的处理能力.

1对规范嵌固端的理解

嵌固端包含两个层次的含义：1）计算嵌固端（计算模型的嵌固端或力学嵌固端,可理解为刚度嵌固端,简单理解被固定的位置）；2）设计嵌固端（预期塑性铰出现的部位或者强度嵌固端）.实际结构设计中,若不存在地下室,结构的嵌固端就是结构最底部,该部位是属于计算嵌固端,构件最底部不发生任何的平动和转动变形；若存在地下室,结构的计算嵌固端应该属于地下室的底板,但从规范精神出发,由于地下室土体约束作用的不确定性及线性地震加速度反应谱曲线属于地面反应谱等原因,为了在计算中得到明确的计算模型,规范认为地下室顶板构造满足一定的条件、地下一层相关范围构件剪切刚度与地上一层剪切刚度比大于2时,上部结构剪力可以可靠传递

给地下室,地下室由于刚度大,且有土体约束,将产生较小的变形,仍应将地下室顶板作为上部结构设计的嵌固端,此时的嵌固端可以理解为设计嵌固端,该位置也是在结构设计中预期出现塑性铰的部位.

不带地下室的结构,地震作用下结构塑性铰一般出现在结构最底部；对于带地下室的结构,由于地下室土体的约束作用,导致地下室顶板下层产生刚度突变,地震作用下可能使高层建筑的塑性铰由基础顶部转移到地下室顶板部以上.震害表明,在地震作用下,一般塑性铰出现在结构正负0处,但塑性铰也有向地下一层延伸的情况,基本未发现地下室底板出现塑性铰的情况.规范中为满足地下室顶板嵌固,保证塑性铰更加可靠的出现在地下室顶板以上部位,且保证塑性铰不要下移,对地下室结构的刚度和承载力提出了适当的加强措施,通过这样的调整,迫使塑性铰在预期的部位出现.

规范中的嵌固端,涉及到结构设计中的强度、刚度及延性,其重点是得到较为准确的计算模型及保证抗震作用下的延性.通过确定嵌固端,得到清晰准确的计算模型,进行内力分析、配筋设计及规范指标判定.

2设计中嵌固端位置的确定

2.1不带地下室结构嵌固端位置的确定

按照上述分析,对不带地下室的结构,结构嵌固端位置是结构最底部,在进行内力分析与配筋设计时,结构最底部既是力学意义的嵌固端也是设计意义的嵌固端,底部节点既不发生平动也不发生转动变形.

2.2带地下室结构嵌固端位置的确定

对于带地下室的结构,按照规范要求,应将上部结构与地下室“相关部位”（地上结构外扩不超过三跨的地下室范围）构件一起进行整体分析,按照高规附录E.0.1进行剪切刚度比的计算,如果地下一层“相关部位”构件剪切刚度与上层剪切刚度比大于2,地下室顶板可以作为上部结构的嵌固端.

如果地下一层“相关部位”构件剪切刚度与上层剪切刚度比不大于2时,地下室顶板无法作为上部结构嵌固部位,嵌固端下移,移动的嵌固端位置应该为地下室底板,此时规范设计嵌固端也就是计算嵌固端,不应将中间某层设置为嵌固端所在的楼层.是否能在地下室中间某楼层嵌固,规范并没有

给出相关的计算条件,不能直接按照下层比上层剪切刚度比大于2去判定嵌固,还需要考虑下层为地下室这一容易被设计师所忽略的隐含重要信息,正如上部结构计算中不能认为某一层与上层刚度比大于2,就将该层位置作为嵌固一个道理.规范没有表明在地下室中间楼层位置嵌固的条件,不能盲目扩大剪切刚度2倍的使用范围.因此,如果地下室顶板不能作为上部结构的嵌固端时,应将嵌固端移至结构的最底部,即地下室底板.

3带地下室结构顶板嵌固相关问题分析

3.1上部结构的配筋及指标控制

由于土体约束的不确定性,应尽量通过调整结构布置,满足地下室顶板嵌固的剪切刚度比要求,保证地下室顶板作为上部结构的嵌固端.当地下室顶板为上部结构的嵌固部位时,应按取消掉地下室进行上部结构的内力分析、配筋设计及规范相关控制指标的判定.地下室部分不进行地震作用的分析,上部结构计算的剪力即基底剪力通过地下室的顶板直接传递给地下室,在地下土体约束作用下,上部地震作用仅仅传给地下一层,不再向下传递.诸如,刚度比、刚重比、剪重比、周期比、位移比及层间位移角指标,也应该是在取消掉地下室的模型上计算得到的,并与规范限值进行比较.

3.2地下室地震作用分析

按照高规3.9.5条的相关要求,地下室顶板作为上部结构嵌固部位时,规范要求地震作用下结构的屈服部位发生在地上楼层,同时将影响地下一层,地面以下结构的地震响应由于土体作用逐渐减小,规定地下一层抗震等级不降低,地下一层以下不要求计算地震作用,其抗震构造措施抗震等级逐层降低.规范认为当地下室顶板嵌固以后,按正负0以上结构计算的地震剪力,通过满足加强措施的地下室顶板传递给全部地下室,并主要由地下一层构件承担.

3.3地下室土体约束的考虑

用于判断地下室顶板是否嵌固的剪切刚度与土体约束无关,但土体约束影响结构整体计算的刚度及内力,进而影响配筋.地下室层土体约束大小规范并没有给出具体值,当前设计一般都按照弹簧方式模拟土体作用,

在SATWE软件中可以通过填写定义地下室,并填写“X、Y方向土层水平抗力系数的比例系数m值”来反映土体的这种约束作用.m值按照《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008（以下简称“桩基规范”）中表5.7.5的灌注桩对应的地基土类型去确定,m值越大,对应的土体对结构整体的约束作用越强.如果m值填写为负值,比如三层地下室填写m=-3,代表地下两层在X、Y两个

水平方向实现完全的嵌固,地下室不产生水平位移,但土体不会约束转动方

向位移,地下室会产生转动方向的转角变形.

3.4地下室构件配筋的加强措施

对地下室顶板嵌固的结构,为保证塑性铰不要出现在地下室,而出现在

地上楼层,规范要求地下室结构的刚度和承载力做适当加强.地下室顶板满

足梁板体系、最小板厚180、混凝土标号大于C30、最小配筋率0.25%等构造要求；地下一层梁、柱、墙等构件抗弯承载力做了提高,要求嵌固端下一层柱构件配筋单侧配筋是上层柱单侧配筋的1.1倍,梁构件支座部位按组合弯矩乘以1.3进行配筋,墙体边缘构件要求本来可设置构造边缘构件的,但

要求纵筋面积不小于上层约束边缘构件纵筋面积.同时地下室构件配筋还要满足计算要求.

4带地下室结构顶板不嵌固相关问题分析

4.1地下室顶板不嵌固的内力分析与配筋设计

抗规6.1.10.3强调了当结构计算嵌固端位于地下一层的底板或以下时,底部加强部位宜向下延伸到计算嵌固端.当地下室顶板无法作为上部结构的嵌固端时,规范要求嵌固端下移,此时一般设计师会直接将地下室和上部结

构一起建模计算,按照桩基规范填写X、Y方向土层水平抗力系数的比例系

数m值,完成上部与地下室的配筋.在配筋设计阶段嵌固端所在的层号对配

筋处理有较大影响.

如果是一层地下室,嵌固端填写1与2计算内力及配筋结果完全一样,导致很多设计师不用为了满足顶板嵌固而加大地下室墙柱构件的截面,直接将嵌固端放在地下室底板.对一层地下室结构,嵌固端位置不同,虽然计算结