【结构咖】结构设计杂谈——从“嵌固端”说起

作者 | 鲲鹏

自媒体人

本文来源于其微信公众号“JIE构生活”

在一个结构技术交流群里，建研院的夏昊提出了如下问题：

当地下室顶板无法作为设计嵌固端，嵌固端下移，顶板和B1分别作为嵌固端包络设计。如何操作？

这个问题的背景是：虽然顶板无法完全满足嵌固条件，但事实还是具有一定的嵌固作用，应该考虑嵌固作用对结构的影响，这就是包络设计的原因。记得以前，超限会上，也有专家提过这一点。

两种办法分别如下:

1)包络设计的两个模型，如果顶板嵌固，要删掉全部地下室，按顶板嵌固，进行上部结构配筋设计；然后B1层嵌固，模型保留一层地下室，B1楼板作为计算嵌固端，再设计上部结构，最后两个模型包络配筋。

2）两个模型均带全部地下室，计算嵌固端永远在基础底板。比如共有3层地下室，取B3楼板作为计算嵌固。然后将顶板和B1分别设置为设计嵌固端(通过设置嵌固端所在层号)，然后进行包络配筋。（注意：采用第二种方法，要同时修改地下室层数和设计嵌固端对应层号，同时改变m值高度范围。）

刘孝国等人写过一篇文章，曾提到：“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转移到地下室顶板以上。”为了保证塑性铰出现在地下室顶板，规范对地下室刚度和承载力提出了一定的加强措施。从这点来说，对半嵌固位置加强，是有必要的，目的是为了保证塑性铰确实出现在预估的位置。

与此相关的一个相似问题是，“对带地下室的高层建筑，假如嵌固端选在地下室顶板，上部结构配筋时，是否需要按带地下室与不带地下室两个模型进行包络配筋？”

针对此问题，上篇文章给出的解答是，“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。”

仅按上部结构来配筋的做法，不少人可能觉得不放心，因为毕竟带地下室的模型才更“真实”，一些工程师倾向于按包络配筋。让我们思考这样一个问题，“带地下室的模型，柱底、墙底约束其实是更弱的，因为少了转动约束，所以底部弯矩应该更小，配筋也应该更小（如果是按计算配筋控制的话），如果采用嵌固模型，相当于人为放大了配筋，岂不是不利于塑性铰出现在柱底？”

然后，我们再来说回“真实”。如果带地下室的模型更真实，那为何指标分析又采用不带地下室的模型呢？中震及大震分析，通常又采用不带地下室的模型呢？楼板和梁为何不在模型中通过偏移做到顶平呢？还有，计算倾覆弯矩的时候，采用轴力方式和抗规方式，究竟哪个更真实？我们整个规范体系都是建立在一些假定条件基础之上的，过度“真实”是否有意义，是否能与规范要求匹配？与其追求“真实”，不如考究现实条件与计算假定是否在可接受的误差范围之内，说到底，这才是工程师的价值。

有些项目，嵌固端做在基础顶，结构计算时，很自然地按简单嵌固模型来计算。但对应地，是不是应该保证基础顶满足嵌固条件呢？恐怕有些工程师就疏忽了这一点，忘记了复核。福建省住房和城乡建设厅文件出了一个《福建省建筑结构设计若干规定》，其中提到，“采用预应力混凝土管桩或空心方桩基础，当地梁线刚度不能达到底层结构柱线刚度2倍以上时，不应采用单柱单桩和单柱梁桩”。这个规定，就是为了保证柱底的嵌固假定，当然，是否需要这么严格，值得讨论。

嵌固端是结构设计很重要的一个边界条件，这是应该做实的地方。但是否要做得绝对“刚”呢？也未必，其中的辩证关系，可参考之前写过的一篇文章《说说结构设计中的“相对性”》。对应地，有些地方，是应该做虚的，比如预设塑性铰的地方。遗憾的是，更多时候，我们是按照规范来设计，很多工程师（包括本人）对结构性能掌握得比较浅，容易误用规范，盲目加大。我记得有一次超限审查，有位专家提问说，“这个结构在Y向没有连梁，你们的耗能机制如何实现？大震作用下，耗能构件耗散了多少能量？”

结构设计本身是要在不确定性中寻求一个确定性，荷载是怎样的？我们不是完全搞得清楚，但我们要搞清楚，地震来了，哪些构件需要它们先破坏，做出点牺牲。整个结构破坏是否能按照我们预想的方式出现？结构不怕破坏，怕的是始料不及，出乎意外地破坏。林同炎大师设计的美洲银行就是这方面的一个经典案例，完美地利用连梁损坏拯救了整个大楼。

结构设计，是一门讲究虚实的艺术，该虚的地方虚，该实的地方才能实，盲目地追求高冗余度，将所有的地方都做实，即如《孙子兵法》所言，“无所不备，则无所不寡”。

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