浅析框架结构中地梁层的设置

摘要：多层框架结构在基础埋深较深时存在首层柱计算高度较高，从而造成底层抗侧刚度偏小，底层层间位移角显著增大，抗震设计时容易形成薄弱层，对抗震不利，故需通过一些加强措施，确保设计计算的安全合理性。

关键词：框架结构;地梁层;嵌固端;包络设计

引言：在无地下室的框架结构设计中，经常遇到基础埋深较大导致首层计算高度过高，从而引起诸如“底层抗侧刚度偏小，底层层间位移角显著增大，抗震设计时容易形成薄弱层”等一系列的设计计算问题。现通过工程实例来分析采取不同措施后对应的不同结果之间的差异。

1 项目背景

某工程研发楼长35.6m，宽18.6m，建筑高度23.9m，室内外高差0.45m，共6层，总建筑面积为4089.4m2。建筑主要功能为实验室及办公室，结构设计使用年限为50年，安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，基本风压为0.35KN/m2，基本雪压为0.25KN/m2。建筑抗震设防烈度为 7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组，场地类别为II类，设计特征周期为0.40s，结构抗震等级为三级，抗震构造措施抗震等级为三级。

根据地勘报告，所在场地为Ⅱ级非自重湿陷性场地，湿陷性黄土场地建筑物类别为丙类。基础形式采用柱下条形基础，地基处理采用换填处理。

该单体首层层高为4.2m，场地为湿陷性黄土场地，给排水管道需设置检漏沟，且其中的管道需置于冻土层以下，导致条形基础埋深为-2.6m，首层柱计算高度由基础顶的嵌固端算起共5.8m，计算高度较高，需采取措施避免底层形成软弱层。

2 结构措施

结构设计中，对于此类情况可采用地面下设置柱墩、首层地面下设置地梁层、首层地面设置钢筋混凝土刚性地坪（“刚性地坪”指可以协调抗侧力构件之间变形的钢筋混凝土板，其板厚不宜小于150mm，混凝土强度等级不低于C20，板配筋不小于双层双向10@200的钢筋网）等结构措施，减小首层框架柱的计算高度，增加地下层框架柱的侧向刚度。[1]

1）设置柱墩

在结构零米以下设置地下柱墩，在柱墩顶标高处设置纵横向基础拉梁。地下柱墩的截面半径不小于地上柱截面半径的2倍，当为矩形或方形截面柱时，可按等效半径考虑。结构的嵌固部位取在柱墩顶（即首层柱高下端取至柱墩顶标高，并在墩顶嵌固），墩顶拉梁按基础拉梁设计（可不考虑墩顶拉梁承担柱底弯矩，只考虑其承担框架柱的柱底拉力和拉梁上的填充墙荷载），地下柱墩的纵向钢筋不应小于上柱实际配筋的1.1倍。

设置地下柱墩使其满足对上部结构的嵌固要求，结构设计概念清晰，且一般情况下地面下具备设置柱墩的条件，结构的强柱根在柱墩顶，地下柱墩的抗震等级取三级或四级。值得注意的是，地下柱墩设计时应综合考虑地下管线、管沟的布设。

2）设置刚性地坪

在首层地面设置拉梁及钢筋混凝土刚性地坪板，结构采用包络设计原则，取下列（1）、（2）的不利值配筋。

（1）地下层按一个结构楼层计算（在SATWE计算中填地下室层数为1），考虑回填土对地下柱侧向刚度的贡献，取刚度放大系数3～5，结构的嵌固部位取基础顶。计算结果主要用于对结构弹性层间位移角的判别及地下柱、地下层拉梁的结构设计。此处的拉梁具有拉梁的基本功能及框架梁的属性，应满足拉梁及框架梁的承载要求并符合框架梁的构造要求。

（2）取嵌固部位在首层拉梁顶面，计算结果主要用于强柱根设计，此处的强柱根上提至基础拉梁顶面，即按有地下室进行计算。地下柱截面的每侧配筋除满足计算要求外还不应小于地上柱对应每侧配筋的1.1倍。地下柱的抗震等级同地上一层柱。首层地面和基础顶面均为上部结构的强柱根区域，应采取相应的结构措施。

以上做法存在如下问题：基础顶部至基础梁顶之间的距离通常比上部标准层小，底层柱截面较大，导致大部分柱成为短柱或超短柱（剪跨比λ<1.5），延性较差，对抗震不利。

3）仅设置地梁层

在首层地面仅设置地梁层而没有设置钢筋混凝土刚性地坪板时，首层地面不符合刚性楼板的假定，梁柱配筋计算时，应采用弹性楼板假定复核。其他设计要求同上述2）所示，需要视嵌固端的不同位置，采取包络设计的原则，取不利值配筋。

4）仅设置刚性地坪

当首层地面只设置钢筋混凝土刚性地坪板而不设置地梁层时，首层地面符合刚性楼板假定，楼层梁可按虚梁输入，设计要求同上述2）所示。此类刚性地面对底层柱有一定的侧向约束作用，但在设计过程中，刚性地面对底层柱的作用还无法定量分析计算。

3 计算对比

下面对该研发楼按上述不同方法进行计算对比：

方法一：直接将首层柱的计算高度取至基础顶，计算时按无地下室定义，楼层组装时定义柱底标高为-1.6m;

方法二：设置地下柱墩，计算时按一层地下室定义，嵌固端为柱墩顶;

方法三：仅设置地梁层，计算时按一层地下室定义，嵌固端取地梁层顶及基础顶包络设计;

首层柱截面均按600x600mm为基准，计算结果如下表所示：

由上表可以看出，采用方法一时，首层侧向刚度比不满足《建筑抗震设计规范》3.4.3-2条“该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%” [2]，同时层间位移角为1/539>[1/550]，不满足规范对此的限值要求，且因相邻侧向刚度差异较大，该层判断为软弱层，需对该层地震剪力放大1.25倍来考虑加强措施，柱侧面配筋较其他两种方法偏大，更体现了结构因局部方案不合理而产生的结构“内耗”。

采用方法二时，不难看出因地下柱墩的侧向刚度比首层柱大很多，作为首层柱嵌固端后，首层柱的层间位移角及柱侧配筋均明显减小;采用方法三时，因设置有地梁层，首层柱的计算高度减小，首层柱的层间位移角和柱侧配筋明显变小。

4 结论

综上所述，对于结构首层柱计算高度较高的情况，可采用地面以下增设柱墩、增加刚性地坪或增加地梁层等的方式来解决，但应注意判断各种措施下首层柱的嵌固端位置，必要时采用包络设计等方式，对不同嵌固部位的多模型进行比较，取不利值进行设计，确保能够安全可靠地减少首层柱的计算高度。

参考文献

[1]朱炳寅.建筑结构设计问答及分析. [M]北京：中国建筑工业出版社.2017

[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S]北京：中国建筑工业出版社.2016