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的框架柱配筋，这种做法和规范初衷背道而驰，加大了地下一层框架梁和框架柱的负担，不能实现嵌固部位强梁弱上柱的目标，不能确保塑性铰只出现在上柱底部截面部位。
地下一层抗震墙墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积，不应少于地上一层对应墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积。规定这一条的目的也是为了确保塑性铰只能在地上一层墙肢底部截面出现，从而保证嵌固部位的墙肢上端不出现塑性铰。
地下室顶板无法作为嵌固部位时的观点：
当地下一层的自身结构侧向刚度与地上一层的楼层侧向刚度之比小于2时，不能满足规范要求，地下室顶板不作为上部结构的嵌固部位，那么上部结构的嵌固端只能下移，验算地下二层的自身结构侧向刚度与地上一层的楼层侧向刚度之比是否大于等于2.0，以此类推，直至计算到基础顶面。需要说明的是刚度比始终是对上部结构底层，也就是建筑首层的刚度比值，而不是地下二层与地下一层的楼层刚度比，在实际施工图审查过程中，当地下一层地面作为嵌固部位时，被要求验算地下二层与地下一层的楼层刚度比是否满足γ≥2.0，显然这一要求是不恰当的，在地下室平面没有很大突变，不增加很多抗震墙的情况下，要实现地下二层与地下一层的楼层刚度比γ≥2.0，几乎是不可能的，这样计算的结果只有一个，那就是嵌固在基础顶面。
当上部结构嵌固部位下移，地下室顶板不作为嵌固部位时，由于回填土的存在，地下室顶板处对上部结构的嵌固作用是客观存在的，只不过是嵌固作用的强弱问题。事实上，回填土对地下室结构的约束作用很大，当地下室顶板不作为嵌固部位时，结构自身和回填土约束的地下室总侧向刚度一般情况下也不会小于上部结构的3倍，因此无论地下室顶板是否作为上部结构的嵌固部位，在结构设计中均应考虑地下室顶板处实际存在的嵌固作用，并采取相应的加强措施。
需要说明的是只有地下室才具备对上部结构嵌固的基本条件，上部结构其他楼层，即便满足侧向刚度比的要求，也不能成为其上部结构的嵌固部位，只能作为刚度突变楼层考虑。
确定上部结构嵌固部位的楼层侧向刚度比的方法
关于侧向刚度比，目前可采用的方法有以下几种：
（1）等效剪切刚度比值法――即高规附录公式E.0.1-1：考察的是抗侧力构件的截面特性及与层高的关系，属于近似计算方法，一般适用于剪切变形为主的结构及结构部位，如框架结构、结构的嵌固端、转换层在一二层时的转换层的上层与转换层的等效剪切刚度比。
（2）楼层剪力与层间位移的比值法――即高规公式3.5.2-1：按楼层标高处产生的单位水平位移所需要的水平力确定结构的侧向刚度，该方法物理概念清晰，理论上适合所有结构，但楼层侧向刚度变化过大时，适用性较差。
（3）考虑层高修正的楼层侧向刚度比值法――即高规公式3.5.2-2：主要适用于以弯曲变形或弯剪变形为主的结构，如框架一抗震墙结构、板柱一抗震墙结构、抗震墙结构、框架一核心筒结构、筒中筒结构等。
（4）等效侧向刚度比值法――即高规附录公式E.0-3：考察的是结构局部区域的侧向变形角之间的比值，适用于结构侧向刚度变化较大的局部部位，如转换层在第二层以上的转换层的上层与转换层的等效侧向刚度比。
采用不同的计算方法时，侧向刚度比的计算结果也不同，有时候会有较大差异，在结构设计时应根据工程的具体情况及计算部位正确选择侧向刚度比的计算方法。
（1）用于方案设计阶段及初步设计阶段时，可采用等效剪切刚度比值法重点考察的是抗侧力构件的截面变化及层高的影响。
（2）在施工图设计阶段，采用结构计算软件电算时，可采用楼层剪力与层问位移的比值法考察的重点是影响侧向刚度的各种因素。
（3）一般情况下，按上述两种方法计算的嵌固部位楼层侧向刚度比各不相同，有时候计算结果相差很大，此时应按楼层剪力与层问位移的比值法计算的侧向刚度比为主，同时按等效剪切刚度比值法计算，计算结果应楼层刚度比γ≥1.5。
4 结束语
总的来说，地下室顶板作为上部结构的嵌固部位，结构的加强部位明确，地下室结构的加强范围高度较小，结构设计的经济性好，地下室顶板作为上部结构的嵌固部位是最经济的选择，嵌固部位越降低，总的加强部位范围越大，因而结构的费用越高。
参考文献
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