[分享][技术干货]嵌固端的那些事，你都清楚吗？

嵌固端是高层建筑结构设计中的一个重要概念，在进行结构计算时，必须明确嵌固端的位置。嵌固端一般设置于地下室顶板或基础顶。合理的设置嵌固端可保障结构的安全性、经济性。要理解嵌固端，我们不妨思考如下几个问题：

在结构设计中，规范上反复提到的嵌固端可称作规范嵌固端，本文所讨论的嵌固端问题，指的是规范（构造）嵌固端。需要注意的是，规范上嵌固端与力学上的嵌固端概念有所不同：

力学上的嵌固（计算嵌固端）：就是平常说的固定端，不允许构件在此部位有任何位移。这里的位移在结构力学中是指平面x、y两个方向的位移和围绕此支座的转角；

规范（构造）嵌固端：通过一系列规范调整，预期的塑性铰出现位置。

程序的嵌固端参数指规范嵌固端，设置的位置不影响计算模型的约束情况。力学嵌固端与规范嵌固端不光概念有区别，所处位置也可能不相同，以某带地下室高层结构为例，当地下一层与首层刚度比及构造措施满足《高规》、《抗规》地下室顶板嵌固要求时，规范嵌固端位于地下室顶板，而力学的嵌固端位于结构底部，两者所在的位置是不同的，见下图。

"三水准、二阶段" 的抗震设计方法，主要依靠结构构件屈服后的塑性变形性能和滞回耗能来耗散地震能量。钢筋混凝土结构的“耗能元”就是因混凝土弹塑性形成的塑性铰。设计人员通过设置屈服区，使塑性铰出现于嵌固端部位。通过规范的调整，使预期出现塑性铰部位在大震下发生塑性变形，同时仍有一定的承载能力而不至倒塌，以提高结构的安全性。

当存在多层地下室时，一般情况下嵌固部位设置在地下室顶面较为经济合理，这也就是为什么一般工程都应该优先选择地下室顶面作为上部结构嵌固端的原因。嵌固部位越低，总加强范围越大，因而结构的费用越高。

在高层建筑结构分析之前，首先要确定嵌固端所在位置。设计时，需根据不同的情况，在满足规范要求的前提下合理的选取嵌固端。

地下室顶板嵌固楼盖的构造要求：

规范对于地下室顶板作为上部结构嵌固提出了较高的要求。

地下室顶板嵌固刚度比要求：

关于刚度比的判断方法，《高规》、《抗规》、《地规》分别做出了规定，在具体条文上有所区别，见下表。

通过三本规范条文的对比，可以看出对于地下顶板的满足嵌固的刚度比要求，《抗规》、《高规》、《地规》三本规范基本一致。《地规》的刚度比要求相对于《高规》降低了0.5，《地规》进行刚度比判断需首先满足对基础形式、土质条件、结构形式等要求，当满足此要求时，相应的刚度比限值可有所降低。

对于规范刚度比要求条文的执行，PKPM程序按照《抗规》要求进行刚度比（剪切刚度比Ratx、Raty）判断，当参数中定义的嵌固端所在层号不是1时（非基础顶嵌固），程序计算嵌固端上层与下层的刚度比，刚度比不考虑土体刚度的贡献，当刚度比大于0.5，则提示不满足。以某单层地下室、地下室顶板嵌固的工程为例，参数填写及程序对刚度比的判断见下图。关于“相关范围”，程序无法自动判断，对于地下一层为外扩大底盘结构，需要手动删除“相关范围”以外构件，进行刚度比验算。

对于无地下室结构，当采用埋深较大的独立基础时，为减小首层柱的计算长度系数，一般在室外地坪标高附近设置拉梁，在设计时应考虑拉梁层，将柱底延伸到基础顶部。由于拉梁距离基础基础顶面距离较远，应按照框架梁进行设计。

部分设计师存在误解，在设计时分别将计算模型嵌固端填写为1、2，将两模型做包络设计。实际上，将拉梁层设置为地下室后，程序会自动对基础顶、地下室顶板位置均执行嵌固调整，此种包络没有意义。同时由于拉梁层土约束的准确量化存在困难，此种方法难以确定结构的最不利受力状态，结果并不保守。

为实现本条文的设计意图，对于深埋深基础，应采用如下两模型包络设计（可采用PKPM中带与不带地下室包络功能实现）：

拉梁层短柱配筋，可取模型1、模型2确定的短柱配筋包络。对于模型1，设置地下室的目的是考虑《抗规》6.1.14条调整（见后文），对短柱进行配筋放大。需要注意的是，模型2并未建立拉梁层，设计时一般将首层框架柱配筋延伸到短柱，即取首层框架柱配筋作为短柱配筋。实际上，采用模型2确定的短柱配筋很多时候起控制作用，原因有二：1、模型2周期短，整体刚度大，地上首层的地震作用偏大。2、当结构形式为框架结构，首层柱会执行《高规》6.2.2底层柱底弯矩放大；当结构形式为非框架结构，首层会依据《高规》3.5.2条，按照结构底部嵌固执行更为严格的薄弱层判断，当判断为薄弱层时首层地震剪力放大。

当存在地下室时，土约束对地下室的侧向刚度的贡献是真实存在的，通常土体对地下室的刚度贡献比其自身的刚度要大很多，无论地下室顶板能否作为嵌固端，地下室顶板对上部结构的嵌固在一定程度上是存在的。因此即使地下室顶板刚度、构造不满足作为计算嵌固端的要求，嵌固端位置下移后，仍有必要将顶板处按嵌固端的要求进行设计，采取相关加强措施。因此在软件中，如果用户指定的嵌固端位置位于地下室顶板以下，程序将自动对地下室顶板和嵌固端位置执行同样的调整。同时，对于与基础相连的底层部位，程序也默认做嵌固端执行相关的调整。

进行此项刚度比判断的目的是判别薄弱层。按本条条文说明，“底部嵌固楼层层间位移角结果较小，因此对底部嵌固楼层与上一层侧向刚度变化作了更严格的规定，按1.5控制”。在程序中，只有嵌固端所在层号填1时，才会出现1.5的限值，否则一律按照0.9或1.1来判断。对于带地下室结构，地下室顶板嵌固，嵌固端所在层号为地下室层数+1，所以±0位置的刚度比判断限值为0.9或1.1。因地下室顶板嵌固部位不能达到完全力学的嵌固要求，与底部嵌固层的概念不符，所以不按照1.5来执行。

《高规》3.9.5，抗震设计的高层建筑，当地下室顶层作为上部结构的嵌固端时，地下一层相关范围的抗震等级应按上部结构采用，地下一层以下抗震构造措施的抗震等级可逐层降低一级，但不应低于四级；地下室中超出上部主楼相关范围且无上部结构的部分，其抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。

对于规范此条的实现，程序可以勾选“降低嵌固端一下抗震构造措施的抗震等级”勾选项，以某3层地下室结构为例，上部结构抗震等级及抗震构造措施均为二级。按规范要求，地下二层抗震构造措施等级降低一级，为三级。地下三层抗震构造措施等级降低二级，为四级。程序对嵌固端以下抗震构造措施的降低是对整个地下室范围进行的，规范中提到的“相关范围”，程序并未自动判断，需要设计师手动指定。

底部加强区的判断，程序可以自动执行《高规》7.1.4及10.2.2的要求，具体的执行可见下图。需要注意的是，程序考虑的底部加强区范围并非延伸到嵌固端，而是延伸到了结构底部。当需要对底部加强区范围修改时，可在层塔属性中单独编辑。

《高规》6.2.2，抗震设计时，一、二、三级框架结构的底层柱底截面的弯矩设计值，应分别采用考虑地震作用组合的弯矩值与增大系数1.7、1.5、1.3的乘积。底层框架柱纵向钢筋应按上、下端的不利情况配置。

研究表明，框架结构的底层柱下端在强震下不能避免塑出现塑性铰。对于框架结构设计中，当地下室顶板不能作为上部结构嵌固端时，建议考虑地下室顶板的实际嵌固作用。在PKPM软件中，如果指定的嵌固端位置位于地下室顶板以下，程序将自动对地下室顶板和嵌固端位置执行同样的调整。同时，对于与基础相连的底层部位，程序也默认作为嵌固端，执行相关的调整。

在PKPM软件中，程序执行的是“1）”的内容，对于柱、剪力墙程序均按照规范条文执行调整；对于梁，因设计时并未有实配钢筋，程序采用的做法是对梁的地震组合弯矩设计值进行1.3倍放大。如果指定的嵌固端位置位于地下室顶板以下，程序将自动对地下室顶板和嵌固端位置执行同样的调整。如下图模型，地下室层数设置为1，嵌固端设置为1（基础顶嵌固），程序依然会在地下一层执行相应调整。

当基础设计时，基础读取的上部结构内力为单工况下标准值结果，不会考虑上部结构柱底地震组合内力调整。同时满足框架结构、平板式筏形基础、嵌固端位于基础顶时，柱底弯矩需要按照《抗规》6.2.3或《高规》6.2.2调整。此时需要勾选如下选项，程序才可进行柱底地震作用组合弯矩调整。

实际工程中，并非所有工程都能很容易的判断出嵌固端。由于某些工程特殊性（例如地下一层顶板错层、单侧存在下沉式广场或半地下室等），上部结构嵌固端的确定往往较为复杂，此时建议采用包络设计方法，对不同嵌固部位的多模型进行比较，取不利值进行设计。本人水平有限，部分问题还有待于深入探讨，不足之处请批评指正。