浅谈结构概念设计的重要性 ——“嵌固端的理解与应用”

结构设计中，嵌固端是一个非常重要的结构概念。由于各本规范之间没有完全协调好，规定不完全一样，从而导致设计界对嵌固端的说法“五花八门”。笔者认为“嵌固端”理解为嵌固部位更为合理。上部结构的嵌固部位，理论上讲应具有下列两个基本条件：1）该部位水平位移为零 2）该部位的转角为零。

朱炳寅在《建筑结构设计问答及分析》（第二版）中提到：以纯力学角度来看，嵌固部位是一个点或一条线（如果拿这一死标准去衡量工程实际中的嵌固部位，显然很难满足），从工程角度看，嵌固部位是一个区域，只有相对的嵌固，没有绝对的固定（实际工程中不存在纯理论上的绝对嵌固部位）。

笔者认为嵌固端可以分为计算嵌固端和构造嵌固端（见下图），这其实是讲的一个事物的三个方面：强度、刚度、延性。

计算嵌固端就是计算模型的嵌固端或力学嵌固端，也可以理解为刚度嵌固端，因为每一个结构都必须要有一个假定的结构模型与之相对应。

构造嵌固端是以延性以及预期塑性铰出现的部位来进行嵌固端的选取。确定嵌固部位就可以通过刚度和承载力调整迫使塑性铰在预期部位出现。从抗震方面讲，当地震来临时，嵌固端界面以下部分土体、基础及地下室随地面一起运动，界面以上上部结构产生相对运动。嵌固端上部的竖向构件底层应先于嵌固端以下构件屈服。

如今大多数项目都有地下室，就会有选取嵌固端的问题，一般都是宜选取地下室顶板为嵌固端。傅学怡大师在《实用高层建筑结构设计》（第二版）中有说到：地下室顶板在一定条件下能够起到一个比较可靠的水平力转换传递的作用，可以作为其上部高层结构的一个水平不动支点。也就是说，上部高层结构受到的水平力进入地下室顶板后，将不再继续沿高层主体结构竖向构件筒体、剪力墙、框架柱向下传递，水平力作用下高层主体结构竖向构件底部承受的局部弯矩进人地下室后将减小。因此，在这样的情况下，高层建筑结构计算简图的±0.000选在地下室顶板，是基本可行的，比较符合实际结构受力状况。如下图所示的实际高层结构的计算简图。

尽管此计算简图将±0.000作为整个高层建筑结构的理想固端，与实际略有出人，使上部结构刚度略有增大，但通过多个实际工程对比计算表明，这样的计算简图的选取，对整个高层结构的振型、周期、位移、内力计算结果准确性影响非常小，而且偏于安全。按照上图这个计算简图得到的高层结构竖向构件的底部轴力在进入地下室后，将沿竖向构件继续往下传递到地下室底板基础；与此同时，地下室顶板、楼板的重力荷载也将增加作用于这些竖向构件。按照上图这个计算简图得到的竖向构件重力荷载、水平荷载下底部弯矩在进入地下室后，由于受到地下室顶板这个水平不动铰的作用而有所减少。但为简化计算且偏于安全，建议设计可取此弯矩值不变直到地下室底板基础顶面。计算简图±0.000这样的确定，有利于简化计算，避免了上部结构与地下室一起计算的繁复和困难。现在计算机计算速度非常快，带入地下室与不带入地下室对计算分析工作量影响不大，而且带入地下室进行模型计算出的结果更加合理，更加安全。

下面就来看看国家规范是怎么规定地下室顶板能作为嵌固端的条件的。

《建筑抗震设计规范》GB50011-2010有如下规定：

理解与应用一：对于以上规范的第1条，地下室顶板作为嵌固端时板厚度不宜小于180，笔者认为嵌固端如果一律按照板厚不小于180的要求不是很合理，应该要具体情况具体分析。因为规范规定此要求的目标是为了保证楼板面内刚度和强度足够大，保证上部塔楼底部楼层剪力的可靠传递，很显然楼板的厚度选择应该与上部塔楼底部楼层剪力的大小有直接关系。10层楼的底部剪力与100层楼的底部剪力完全不同，对于10层楼而言顶板厚度取180有点太保守，而对于80层楼而言顶板厚度仍然取180就明显偏小偏不安全。我司优化过江西某住宅小区项目（如下平面图），抗震设防烈度为6度，各单体均为6~8层的小高层建筑，地下室为一层，原设计以地下室顶板为嵌固端，板厚取180厚，配筋C10@150双层双向。经过我司复核塔楼底部楼层剪力并不是很大，板厚取150厚就足够，配筋可C10@200双层双向。由此塔楼区域顶板可节省近20%的造价，8幢单体节省了造价近30万元。朱炳寅大师也在他编著的《建筑抗震设计规范应用与分析》书中建议：

我司还咨询过许多此类项目，均有良好的经济效益，这里就不一一赘述了。

对于在六度区以地下室顶板为嵌固端的此类项目，我司提出了总结性的经验，供大家参考：

1）对于单体房屋高度小于24m的顶板板厚建议取为150厚；

2）对于单体房屋高度大于24m小于50m的顶板板厚建议取为160厚；

3）对于单体房屋高度大于50m小于100m的顶板板厚建议取为180厚；

4）对于单体房屋高度大于100m小于150m的顶板板厚建议取为200厚。

理解与应用二：对于规范的第4条，大部分结构设计师在设计时，将地下一层或地下多层的纵向钢筋和箍筋均与地上一层一样，当然这也是可以的，但是这就体现出来结构设计师对此条规定的理解未到位。笔者认为此条规定写的非常明确，地下一层“纵向钢筋”的截面面积不应少于地上一层对应的纵向钢筋面积，因为大家都清楚塔楼的底部剪力大部分都在地下室顶板处已经消耗掉，到了地下一层或地下多层处剪力已经很小，所以箍筋完全可以减小。以下是我司优化的一个三层地下室的项目（见下图），原设计师为了方便将约束边缘构件全部做到地下室三层。笔者认为地下一层可按构造边缘构件设置，纵向钢筋可以跟地上一层相同，但箍筋直径可适当改小，到地下二层时纵向钢筋、箍筋均可减小。一个近15万平方米的住宅，就这一项可以节省近150万元造价，这节省下来的造价非常可观。

对此北京市建筑设计研究院也提到过，剪力墙边缘构件的主筋锚固及约束箍筋要求，除计算要求外，一般符合下图要求即可（见下图），即纵向钢筋下延1.5xLaE。

因此，笔者认为对于规范的规定需结合工程实际情况具体分析，只有这样才能真正去理解规范，才能成为一个优秀的设计师。

关于对嵌固端的理解与应用，我司文章将持续更新。