关于嵌固端的理解及规范实现解析

赵珊珊

（中国建筑科学研究院有限公司北京构力科技有限公司北京 100013）

[摘要]嵌固端是结构计算时一个很重要的概念，在进行结构计算时，嵌固端的确定对结构抗震等级、内力放大等都有很大的影响，我们需要明确嵌固端概念和规范定义，以及程序对嵌固端相关内容的处理。

[关键词]嵌固端；剪切刚度；调整；

1明确概念

在进行结构设计时，嵌固端的概念有两个，分别为“力学嵌固端”和“设计嵌固端”。

力学嵌固端：是指能承受轴力（N）、弯矩（M）、剪力（V），同时U（X方向水平位移）、V（Y方向水平位移）、ω（竖向位移）、θ（转角位移）均为零的部位。

设计嵌固端：按在地震作用下的屈服机制下，预期塑性铰出现的部位。设计嵌固端就是通过刚度和承载力调整，迫使塑性铰在该预期部位出现，并能承担上部结构在该处屈服超强引起的极限弯矩和出现塑性铰时的最大剪力以及相应的轴向力。

不同于结构的力学嵌固端，设计嵌固端不影响结构的力学分析模型，而是与计算调整相关的一项参数。

程序中参数定义中嵌固端说明的是设计嵌固端，在进行简化计算时，结构最底部为力学嵌固端，其水平和竖向位移及转角均为零。

2参数定义及程序判断

2.1 规范规定

2.1.1地下室顶板作为上部嵌固端相关规范

《抗规》6.1.14-2条：地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，应符合下列要求：

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；……

《高规》规定：地下室顶板作为嵌固层，地下一层与首层侧向刚度比不宜小于2。

其中，《抗规》6.1.14条文说明，“相关范围”一般可从地上结构（主楼、有裙房是含裙房）周边外延不大于20m。

《高规》5.3.7条文说明，计算地下室结构楼层侧向刚度时，可考虑地上结构以外的地下室相关部位的结构，“相关部位”一般指地上结构外扩不超过三跨的地下室范围。楼层侧向刚度比可按本规程附录E.0.1条公式计算。

2.1.2底部嵌固端判断

《高规》3.5.2-2：2 对框架-剪力墙、板柱-剪力墙结构、剪力墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构，楼层于其相邻上层的侧向刚度比γ₂可按式（3.5.2-2）计算，……对结构底部嵌固层，该比值不宜小于1.5。

2.2程序定义

程序中嵌固端所在层号需要用户手动输入。参数位于参数设置——总信息中，见图1总信息。

图1总信息

对于无地下室的结构，嵌固端一般位于首层底部，此时嵌固端所在层号为1，即结构首层；对于带地下室的结构，当地下室顶板具有足够的刚度和承载力，并满足规范的相应要求时，可以作为上部结构的嵌固端，此时嵌固端所在楼层为地上一层，即（地下室层数+1），这也是程序缺省的“嵌固端所在层号”。如果修改了地下室层数，应注意确认嵌固端所在层号是否需相应修改。

2.3程序判断

对于嵌固端所在层号非1的结构，也就是不在结构首层（基础顶）嵌固时，程序会按照规范规定，对其所在层号进行剪切刚度验算，判断其是否满足作为嵌固端的要求，见图2。

图2新版文本查看结果输出

对于“相关范围”的取值，《高规》和《抗规》中都给出了相关说明，用户在进行验算时需要注意，尤其是大底盘结构在判断地下室顶板能否作为嵌固端时，不能根据大底盘整层进行判断，需要选取相关范围进行判断。

如果是多塔结构，可以采用程序内多塔自动包络功能，自定义多塔子模型的外扩可以手动定义。

图3分塔子模型定义

对框架-剪力墙、板柱-剪力墙结构、剪力墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构体系，嵌固端层号为1时，程序会按照高规3.5.3-2对底层进行判断，见图4底部嵌固端判断。

图4底部嵌固端判断

3程序所做相关调整

3.1 抗震等级的调整

《抗规》6.1.3-3规定：当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下一层的抗震等级应与上部结构相同，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。

目前程序参数设置——地震信息中给出参数，程序默认勾选。勾选后，程序会按照规范对嵌固端下一层开始逐层降低抗震等级，见图5结构抗震等级。

图5结构抗震等级

3.2 地下室顶板梁柱内力和配筋调整

《抗规》6.1.14-3：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)地下一层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纵向钢筋面积均应比计算增大10％以上。

无论地下室顶板能否作为上部结构嵌固层，地下一层框架柱，除满足计算配筋要求外，程序自动搜索地上一层对应位置的框架柱配筋，取其1.1倍纵筋面积作为地下一层框架柱纵筋面积，同时，在构件信息——构件设计属性信息中给出对应的参数说明，见图6图7。

a.地上一层柱 b.对应地下一层柱

图6柱配筋简图

图7地下一层柱构件信息

因为无法定量判断规范规定的“地下一层梁刚度较大”，对于地下室顶板梁构件，无论地下室顶板是否为上部结构嵌固层，程序按考虑6.1.14-3-1的方式对梁端弯矩进行处理，对梁端组合弯矩放大1.3倍。

图8地下一层梁构件信息

对地下室顶板梁柱调整范围的相关说明：

1) 仅对地震作用控制的梁端弯矩进行放大，对于非地震作用控制的组合不放大；

2) 规范强调的仅仅是对于梁的端部弯矩，其他部分不进行放大，故程序仅放大端部弯矩；

3) 仅仅对于与框架柱相连的梁端进行放大，不与柱相连（如与墙相连梁）的梁端设计弯矩不做1.3倍的放大。

3.3 框架结构强柱根调整

《抗规》6.2.3：一、二、三、四级框架结构的底层，柱下端截面组合的弯矩设计值，应分别乘以增大系数1．7、1．5、1．3和1．2。底层柱纵向钢筋应按上下端的不利情况配置。

条文说明：框架结构计算嵌固端所在层即底层的柱下端过早出现塑性屈服，将影响整个结构的抗地震倒塌能力。嵌固端截面乘以弯矩增大系数是为了避免框架结构柱下端过早屈服。对其他结构中的框架，其主要抗侧力构件为抗震墙，对其框架部分的嵌固端截面，可不作要求。

根据规范要求，需要对框架结构的底部和嵌固端所在层进行调整，因此，程序中接地柱、嵌固端所在层号的柱和地上一层的柱三个部位都按照《抗规》6.2.3进行调整。

4小结

1. 嵌固端的设置对结构本身计算和调整都有很大的影响，用户需要明确力学嵌固端和设计嵌固端的概念，确定嵌固端层号。

2. 规范对地下室顶板能否作为嵌固端给出了明确指标，程序会根据给出的嵌固层进行判断。为了预期塑性铰的出现，无论地下室顶板能否满足嵌固端要求，程序都会对地下室顶板按照抗规6.1.14-3-1进行内力放大。

参考文献

[1] GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，20