第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 结构嵌固层的判定与设计控制 沈耀军，肖丽² （1.上海凯创建筑科技有限公司，上海200023：2.建研科技股份有限会司，北京100013) 摘要：结构嵌固层是结构分析的重要计算假定之一，规范对于结构嵌固层给出了明确的判定与控制要求.
PKPI 软件在处理结构嵌固层方面从理解规范概念出发，给出了较为完整的设计控制方案，包括结构底层嵌固默认控制、 地上一层强制控制、嵌固层节点上部“弱柱”处理、配筋构造控制、底部加强区的设置范围、薄弱层的判定等， 使得结构嵌固层区域楼层在地震作用下满足规范安全要求.
关键词：嵌固层：安全控制：解决方案：PKPM软件 1嵌固层相关规范条文解读 1.1关于嵌固层方面的规范条文 现行的《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗规》）6.1.3条、6.1.10条、6.1.14条，《高层建筑混 凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）3.5.2条、3.9.5条、5.3.7条、7.1.4条、12.2.1条，《混凝土 结构设计规范》11.1.4条、11.1.5条，《建筑地基基础设计规范》（以下简称《基础规范》）8.4.25条， 上海市《建筑抗震设计规程》（以下简称《上海抗规》）5.5.1条、6.1.4条、6.1.12条、6.1.17条，广 东省《高层建筑混凝土结构技术规程》3.5.2条、3.9.5条、5.3.7条、13.2.1条等都对于结构嵌固层的判 定方法与设计构造，以及与嵌固层相关的其他设计项目提出了明确的控制要求.
1.2规范条文解读 各本规范从各自领域提出了结构嵌固层的控制要求，大部分内容是统一的，也有少量内容存在差异.
有必要对这些条文进行梳理，进行合理解读.
1.2.1嵌固端、嵌固部位、嵌固层的确定 对于没有地下室的普通建筑，结构嵌固层的位置非常明确，而对于含地下室的建筑，在设计时经常 采用地下室顶板作为嵌固部位的计算假定，各规范对此给出了控制要求.
条文中牵涉到嵌固层的名词主 要有三个，即嵌固端、嵌固部位、嵌固层，先分析一下彼此之间的关系，图1为嵌固层相关部位示意图， 图中可以看出嵌固端位于嵌固部位上部，嵌固层是嵌固端所在的楼层，是被约束的楼层，而不是指本身 嵌固不动的楼层，否则与底部嵌固层的表述不统一.
为了避免应用混淆，PKPM软件中用“嵌固端所在 层”来表示嵌固层.
VA 图1嵌固层相关部位示意图 作者簧介：沈耀军（1968-），男，高级工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 1.2.2设计嵌固端与力学嵌固端的关系 规范中对于设计嵌固端的判断是为方便上下部结构分别计算面提出的，即在满足规范提出的一系列 设计控制要求以后，允许设计人员将结构从嵌固端处切开，切开后的上部结构底部嵌固端即按力学嵌固 增进行计算.
在PKPM三维分析软件中完全可以实现地下室上下部结构整体计算，因此在整体计算时将这个嵌固端 概念转换为设计概念，与力学嵌固端无关.
在软件中引入设计意义的嵌固端，可以在实现整体计算的同 时，对于符合规范要求的嵌固端部位通过相关调整实现概念设计.
1.2.3嵌固层刚度比控制要求 《》《》“》《》 有所放松.
由于工程的复杂性以及各地审图机构在具体规范执行过程中的差异性，PKPM软件不自动确定 嵌固端所在层，由软件使用者自行确定.
有文章中提到嵌固层判定所需刚度比控制值可以按照修约值比较法有所调整，以《高规》“为例 刚度比控制值可以放宽到1.5，此观点与规范原意不符，且按照《数值修约规则与极限数值的表示和判 定》GB/T8170-2008第4.2.1.1条、第4.3.1.2条关于标准中对极限数值没有特殊规定时，均采用全数 值比较法的要求，与修约值比较法相比，全数值比较法更为严格.
因此，不建议采用修约值进行刚度比 控制.
1.2.4如何理解底部嵌固层 所谓底部嵌固层，指计算模型中完全力学嵌固的结构底部嵌固端所在层.
对于嵌固层不在最底层时， 是否要按《高规》3.5.2-2条对该层与上层相比进行1.5倍刚度比控制，朱炳寅提出宜考虑此条，毫 无疑问满足此条要求对于结构安全是有利的，但是像底部大空间之类结构是较难做到的.
《上海抗规》 对于框剪结构、框筒结构、板柱剪力墙结构、框支结构嵌固端所在层提出了更为严格的弹性层间位移角 限值，相对而言容易操作，同时也保证了嵌固层具备足够的刚度.
PKPM软件目前处理方案是仅考虑最底层作为底部嵌固层进行1.5倍刚度比薄弱层判断.
原因是对于 不在最底层的嵌固层，下部地下室顶板嵌固部位不能达到完全力学嵌固要求，即使在地下室参数中将 值用-K法输入，表示在分析模型中控制第1～K层不发生水平方向位移，但是软件计算时仍允许嵌固部 位发生竖向变形或转动，与底部嵌固层的概念不完全相符.
因此，PKPM软件与《高规》编制组专家协商 后对非最底层的嵌固层不按1.5倍刚度比控制.
如果设计人员需要对此类结构的嵌固层按底部嵌固层进 行薄弱层控制，可以另建仅保留嵌固层以上部分的结构模型单独计算分析.
1.2.5地上一层是否需要强制执行嵌固端所在层控制 常规含地下室建筑经过合理设计，地上一层通常均可作为嵌固层进行设计控制.
当某些建筑由于开 设地下室中庭、半地下室等原因，地上一层不能满足嵌固层要求，此时嵌固端所在层可能下移.
地上一 层作为非嵌固层是否需要进行设计控制是一个值得探讨的技术问题.
PKPM软件在处理这个问题上面十分慎重，多次与《抗规》主编专家沟通，最后确定的做法是地上一 层无论是否嵌固层，均按嵌固层进行设计控制，原因是不论地下室顶板是否达到嵌固要求与否，地上一 层天然存在一个或强或弱的被嵌固效果，地震灾害分析报告表明绝大多数工程的地上一层都属于结构的 最薄弱部位，极少见到地下室结构发生严重破坏的.
为确保工程安全，按此进行控制是必要的.
对于隔震建筑之类特殊结构，如不希望软件进行强制控制，可以将地下室层数设为0进行设计，影 响到风荷载计算时可以采用v2.2版本调整风荷载基底距室外地面高度参数予以解决.
1.2.6结构底层、底部与嵌固层、地上一层的关系 《抗规》等有关倾覆弯矩计算指标时有结构底层的概念，规范中明确指出底层为计算嵌固端所在 层，即嵌固层.
在实际应用时，当嵌固层不是地上一层时，除了考察嵌固层计算结果是否满足要求以外， 建议补充地上一层计算结果进行双控.
在弹性动力时程分析时有结构底部剪力指标的要求，除了考察结构最底层与嵌固层以外，如果嵌固
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 层不是地上一层，同样建议补充地上一层的计算指标进行包络控制.
2结构嵌固层的判定 2.1应用PKPM软件进行嵌固层判定 2.1.1塔楼地下室计算范围 《抗规》“6.1.14条文说明对于塔楼进行刚度比判断时的计算范围给出了较为明确的建议值.
地上 结构（有裙房时包含裙房）周边外延20m以内，《高规》5.3.7条文说明中提出塔楼地下室外扩不超过 地上结构三跨.
对于裙房布置较为简单的塔楼，进行地下室计算范围确定时按不超过三跨及20m双控即可.
某些建 筑的裙房平面布置范围远大于塔楼时，如果将裙房完整计入塔楼进行计算可能不太妥当，此时可适当缩 减较长方向的裙房平面区域先确定简化后的地上结构，缩减长度可参照地下室外扩方法及工程实际情况 斟酌处理，最后再按规范要求对地下室部分进行外扩处理.
对于地下室外墙与上部结构相距比较远（如超过40m~50m）的情况，不宜作为判断嵌固条件的墙体 下一层层高时可计入计算模型.
2.1.2刚度比计算 目前PKPM软件提供剪切刚度、剪弯刚度、地震剪力与层间位移之比三种刚度计算结果，在应用刚度 比计算结果进行嵌固层判断时，《高规》条文说明中建议采用剪切刚度进行判断.
因此，使用PKPM软 件判断是否满足嵌固层的刚度比条件非常方便，以北京地区某工程为例，首先按规范确定合理范围的塔 楼结构，计算后查看SATWE输出结果中WMASS.OUT文件中的Ratx，Raty指标是否不大于0.5即可（见图 2），PMSAP软件可以查看详细摘要文件中的ITEM043项内容.
Tnr Rntt Rrty 图2剪切刚度比取值图 需说明的是，PKPM软件自v2.1版本以后完善了剪切刚度计算方法.
原计算方法采用的是简化计算 公式，现改为与《高规》附录E完全一致的计算公式.
另外，PKPM软件的剪切刚度计算值与地下室m 值参数没有关联.
2.1.3嵌固层判定与地下室参数m值 经过地下室顶板结构体系检查与刚度比计算后，由设计人员综合判定哪个楼层作为嵌固层.
在应用 软件时只需输入“嵌固端所在层号”，默认值为地下室层数1（见图3）.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 IEE 图3SATVE软件嵌固层输入位置 种被动的搜索行为，当嵌固层不在底层时，需要设计人员寻找出结构中符合条件的嵌固部位楼层，由软 件完成后续的一系列构件放大调整处理动作.
这里要强调的是，嵌固层参数和地下室参数m值之间没有任何关系，部分设计人员对于嵌固层以下 的地下室楼层习惯施加水平约束，即将地下室参数m值输入-K（K为最底层起算的层数）或999之类数 值，这是对结构分析模型的一种主动简化处理行为.
如果希望更为真实地反映结构的性能，不推荐将m 值填-K简化处理，建议m值按照地下室外墙侧壁回填土的类型与密实度合理确定.
2.2关于地下室顶板不满足嵌固要求的一些情况探讨 2.2.1地下室顶板不满足嵌固要求的一些常见情况 首先需要检查不符合《抗规》6.1.14条要求的情况，如地下室顶板采用无梁楼盖、楼板开设较大 的洞口、地下室顶板厚度与钢筋配置不满足构造要求等.
其次，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.
假如高差过大，相当于 此处存在一个错层，对于水平力的传递非常不利.
《上海抗规》“6.1.17条文说明中指出，如果结构转换层位于地下一层，即使地下一层与地上一层 的刚度比满足嵌固要求，也不宜将地下一层顶板作为嵌固部位.
2.2.2地下室顶板是否需要强制满足刚度比要求 业界同行根据工程实践著文“提出，对于某些结构体系，如剪力墙较多的结构，地下室顶板部位往 往较难满足嵌固要求，此时没有必要为了满足地下室顶板嵌固要求在地下室范围大幅增设或加厚剪力墙， 完全可以将嵌固部位下移至最底层，在结构其他整体计算指标都满足的条件下，地下室层数不多时采用 此方法可以获得更好的经济性.
因此，结构设计时对于地下室可不必强制满足嵌固部位要求.
当然，由于PKPM软件对地上一层自动 按嵌同层进行处理，实际上该部位的结构安全度仍然是有一定保障的.
3设计控制解决方案 为了达到嵌固端框架柱或抗震墙墙肢屈服时，嵌固部位对应的下层框架柱或抗震墙墙肢不应屈服的 目标，嵌固端所在层的柱子下端采用“弱柱”设计，即地震时嵌固端柱底出现塑性较首先屈服.
《抗规》“6.1.14-3条提供两种方法：①设计时，梁柱纵向钢筋增加的比例也可不同，但柱的纵向 钢筋至少比地上结构柱下端的钢筋增加10%，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作为简化，当梁按计算分配的弯矩接近 柱的弯矩时，地下室顶板的柱上端、梁顶面和梁底面的纵向钢筋均增加10%以上.
PKPM软件按方法①进 行控制.
3.1地下室顶板嵌固部位梁进行抗震组合弯矩放大 SATWE软件自动搜索嵌固部位梁柱节点相连的框架梁，对梁端的最大抗震组合弯矩放大1.3倍.
PMSAP
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 软件设有选项可以控制是否放大嵌固部位框架梁组合内力.
4610 店 R 图4某框架梁嵌固与否组合内力放大对比图 图4为某框架梁的内力对比图，图中可以看出梁端计算配筋量同步放大约30%.
如果初始的控制组 合工况为非地震工况，软件会自动搜索抗震组合，取放大后的抗震组合工况与非地震控制组合工况按计 算配筋量确定较大值.
对于非地震区，软件不作放大处理.
3.2嵌固层下部楼层框架柱配筋放大处理 软件按照规范要求，对于嵌固层下一层框架柱自动进行配筋放大10%处理，图5为某工程地下一层 与地上一层的框架柱配筋比较图.
PKPM软件目前没有对斜柱或支撑做相应放大处理.
Lo 4.0l mo 11 60.1 f Ms fyr 38L G 地上一层 4.10) 3s 1t L.0 y 30. P 1.082527 地下一层 图5嵌固部位上下层框架柱配筋比较图 如果嵌固层不在地上一层，则地下一层至嵌固层下一层框架柱配筋均取本柱配筋与1.1X地上一层 框架柱配筋的较大值进行双控.
3.3 嵌固层构件内力放大 嵌固层框架柱在结构中属于底层柱，按照《抗规》“6.2.3条，软件自动对框架结构中底部嵌固层、 嵌固层的框架柱底部组合弯矩设计值进行放大处理.
一、二、三、四级框架柱分别放大1.7、1.5、1.3、 1.2.图6为采用SATWE软件计算的某框架工程地上一层框架柱的柱底弯矩放大系数截图.
1IEn S3. Te 图6某框架地上一层一级框架柱构件信息截图
