山地建筑掉層結(jié)構(gòu)設(shè)計要點探析

黃鏵庚

（福建省環(huán)境保護(hù)設(shè)計院有限公司，福建 福州 350011）

0 引言

山地建筑因其建設(shè)場地條件的限制，其結(jié)構(gòu)體系上常會出現(xiàn)一些薄弱部位，加大了結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度。例如由于地形原因，建筑豎向承重構(gòu)件的底部嵌固標(biāo)高不同，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)傳力路徑不清，即使處于低烈度區(qū)的建筑，在水平地震作用下也會發(fā)生較大扭轉(zhuǎn)；山地建筑經(jīng)常面臨周邊覆土地坪標(biāo)高相差較大的情況，形成半開敞式地下室，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮土體水平推力對建筑整體滑移的影響。本文根據(jù)實際工程情況，對山地建筑掉層結(jié)構(gòu)設(shè)計要點進(jìn)行探討。

1 工程概況

該項目位于武夷山市度假區(qū)望峰路福建省國家大氣環(huán)境武夷山監(jiān)測站內(nèi)。場地原始地貌屬丘陵山地，地勢西北高東南低，呈臺地地形，土壤環(huán)境質(zhì)量樣品庫依坡而建，東北側(cè)臨近一既有擋墻，最近處距離6m。建筑總建筑面積2428.72m2，總占地面積979.62m2，高程關(guān)系圖及建筑效果見圖1、圖2。

圖1 高程關(guān)系圖

圖2 建筑效果圖

該工程建筑高度為11.6m，平面尺寸36m×26m，為地上三層框架結(jié)構(gòu)（首層為掉層結(jié)構(gòu)），其中自下而上層高分別為3m、4.2m、4.4m，出大屋面以上另有局部小屋面，檐口標(biāo)高14.8m。該工程地處武夷山景區(qū)之內(nèi)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)依山就勢融入自然，避免工程建設(shè)深挖高填對自然環(huán)境造成的破壞，所以方案設(shè)計時結(jié)合原有地形，采用掉層結(jié)構(gòu)設(shè)計。

根據(jù)勘察報告，場地內(nèi)勘察深度范圍內(nèi)表層為新近填土層，其下為粉砂巖殘積黏性土，遇水易軟化崩解，再下為全風(fēng)化砂巖及砂土狀強(qiáng)風(fēng)化砂巖。本項目為三層框架結(jié)構(gòu)，考慮到殘積黏性土層較薄且起伏較大，故選用全風(fēng)化砂巖作為其基礎(chǔ)持力層，基礎(chǔ)采用900mm直徑人工挖孔墩基礎(chǔ)，墩身有效長度約為4m。

2 地震作用的調(diào)整

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[1]（GB 50011-2010）4.1.8條文及其條文說明，對于建設(shè)在突出臺底或坡頂?shù)慕ㄖ铮瑧?yīng)該考慮其不利地形帶來的地震作用放大效應(yīng)，地震影響的放大系數(shù)為λ=1+ξα。

該工程東側(cè)有一擋土墻，擋土墻高差H=4m，擋土墻接近垂直，故坡降角度正切H/L≥1.0，建筑距離擋土墻最近6m，最遠(yuǎn)處20m，綜合考慮場址距突出地形邊緣距離與相對高差H的比值，L1/H=1.5～5。經(jīng)查閱規(guī)范，增大幅度α=0.3，附加調(diào)整系數(shù)ξ=1.0～0.3,故地震影響系數(shù)的放大系數(shù)λ=1.09～1.3。對于項目整體考慮，應(yīng)取最不利狀態(tài)考慮，故采用1.3放大系數(shù)。

另外，該工程由于地形原因，設(shè)置了一局部掉層，導(dǎo)致建筑框架柱底標(biāo)高不同。根據(jù)《山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[2]（JGJ/T 472-2020）5.1.10條文，掉層結(jié)構(gòu)在模擬設(shè)計軟件中如果設(shè)定建筑整體嵌固部位為上接地端時，軟件則假定該層為無限剛度，對于掉層部位來說與實際情況相差較大，會導(dǎo)致上部剪力彎矩?zé)o法真實地傳遞到掉層部位。

3 掉層結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點

3.1 確定建筑高度

建筑高度是確定建筑適用范圍和抗震等級的必要參數(shù)。對于存在多個嵌固端的建筑來說，合理確定其主導(dǎo)嵌固位置是確定其建筑高度起算位置的第一步，一般建筑物80%以上的豎向抗側(cè)力構(gòu)件嵌固于同一標(biāo)高時，該部分對整個建筑結(jié)構(gòu)受力特性起到了主導(dǎo)作用，可視為主要嵌固端，建筑總高度由此起算。對于難以區(qū)分主要嵌固部位的建筑，由于不同高度的嵌固作用相互影響，結(jié)構(gòu)傳力路徑更加復(fù)雜，在確定建筑高度時采用最低嵌固部位起算，同時應(yīng)采取不同嵌固部位的模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

該工程掉層部分約占總平面面積的25%，二層總框架柱35根（其中非嵌固于上接地端的12根），由于各框架柱、框架梁布置相似，此處粗略估算上接地部分結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度約占本層結(jié)構(gòu)總抗側(cè)剛度的66%，故該工程建筑高度由掉層地坪面算至大屋面為11.6m（未考慮室內(nèi)外高差）。

3.2 抗扭設(shè)計

對于山地建筑，即使上部平面規(guī)則對稱，由于其底部豎向構(gòu)件嵌固高度不同，也會影響結(jié)構(gòu)體系的受力變形，導(dǎo)致自身扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增強(qiáng)。因此在設(shè)計中需要根據(jù)結(jié)構(gòu)自身特點，從抗震性能概念設(shè)計、抗震分析計算和抗震構(gòu)造措施等方面進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)[3]。

該工程由于地形原因，掉層部分偏置一角（見圖2），建筑左下角1～3軸交A～B軸部分框架柱在上接地端標(biāo)高沒有和剛性基礎(chǔ)連接，導(dǎo)致其側(cè)向剛度相對其他框架柱較弱，在水平地震力作用下該部分位移相對較大，使建筑產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。為減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，均衡各框架柱的抗側(cè)剛度，首先在限制掉層層高為3m的同時，加大框架柱截面和配筋，箍筋全高加密，并在掉層部分及建筑外圍設(shè)置剪力墻，加強(qiáng)掉層的整體剛度，縮減與上接地端的剛度差距；其次在上接地端設(shè)置了加強(qiáng)樓蓋，樓蓋厚度150mm，按0.25%配筋率雙層雙向設(shè)置，在加強(qiáng)其剛度的同時增加樓蓋傳遞水平荷載的能力。

框架結(jié)構(gòu)遭受地震作用時，其豎向承重構(gòu)件發(fā)生破壞時，一般表現(xiàn)為在其嵌固位置發(fā)生塑性屈服，即產(chǎn)生塑性鉸。山地掉層結(jié)構(gòu)由于豎向承重構(gòu)件嵌固高度不同，當(dāng)?shù)卣鹱饔孟掳l(fā)生塑性變形時，結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件為協(xié)調(diào)變形必然產(chǎn)生額外的附加力場，使結(jié)構(gòu)體系受力更為復(fù)雜，放大地震不利影響。

3.3 薄弱部位的加強(qiáng)

（1）根據(jù)《山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》3.1.12條規(guī)定，該工程在設(shè)計掉層及二層豎向構(gòu)件時采用1.1的重要性系數(shù)，并且對上接地層的豎向構(gòu)件進(jìn)行抗扭驗算和采取加強(qiáng)其延性的措施。

（2）掉層結(jié)構(gòu)由于受力復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)樓板平面內(nèi)的彈性變形進(jìn)行內(nèi)力計算，在計算扭轉(zhuǎn)位移比時采用剛性樓板。由于上接地端與非接地端約束條件不同，在風(fēng)荷載或地震力作用下框架柱的不協(xié)調(diào)變形均由樓蓋來拉扯平衡，另外考慮掉層側(cè)邊土體對支擋結(jié)構(gòu)的水平壓力，土壓力通過支擋上下傳遞給樓蓋，導(dǎo)致掉層結(jié)構(gòu)上接地端樓蓋和下接地端樓蓋的框架梁產(chǎn)生附加拉力或壓力，這些構(gòu)件應(yīng)按偏壓（拉）構(gòu)件復(fù)核。

（3）該工程通過調(diào)整層高、加強(qiáng)掉層部分框架強(qiáng)度、增設(shè)部分剪力墻的方式控制底層抗側(cè)剛度和受剪承載力大于上一層相應(yīng)部位的1.1倍。同時將掉層部分的抗震構(gòu)造措施提高一級，避免掉層結(jié)構(gòu)成為抗震薄弱部位。

3.4 支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計

一般情況下，在設(shè)計半開敞式地下室時，臨土面宜設(shè)置永久性支擋結(jié)構(gòu)將主體結(jié)構(gòu)與外部土體脫開，避免土壓力對建筑產(chǎn)生不利的側(cè)壓力。如果采用土體緊鄰結(jié)構(gòu)主體的方案，則應(yīng)充分考慮之間的相互影響。從傳力路徑清晰和結(jié)構(gòu)安全性的角度出發(fā)，應(yīng)優(yōu)先采取土體與結(jié)構(gòu)脫開的做法，但是如果另行增加支護(hù)措施，不僅會延長整體工期進(jìn)度，而且也會增加工程造價。綜合考慮了建設(shè)項目的安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性后，最終選擇采用主體結(jié)構(gòu)側(cè)壁兼作為土體支擋結(jié)構(gòu)的方案。

當(dāng)室外土體荷載直接作用于結(jié)構(gòu)主體外墻上時，不僅需考慮土體在平時狀況下的側(cè)向土壓力，還應(yīng)考慮支擋結(jié)構(gòu)在地震作用下向邊坡移動時產(chǎn)生的土壓力，取被動土壓力、罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)傳給支擋結(jié)構(gòu)的彈性地震作用與靜止土壓力之和兩者的較小值。

考慮罕遇地震作用的主動土壓力可參考國外Seed等人研究和我國現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02）[4]，近似采用擬靜力法按下式計算：

式中：KE、Ka——分別為有地震作用時、無地震作用時作用在支擋結(jié)構(gòu)背面上的主動土壓力；

k——水平地震系數(shù)，6度、7度、8度時取0.125、0.22（0.31）、0.4（0.51），括號中數(shù)值分別應(yīng)用于7度0.15g和8度0.30g。

根據(jù)勘察報告，支擋結(jié)構(gòu)外土體按殘積黏性土考慮，其內(nèi)摩擦角Φk=18°，容重γ=18.5kN/m3。

主動土壓力系數(shù)∶

Ka=tan2（45-Φk/2）=0.528;

被動土壓力系數(shù)∶

Kp=tan2（45+Φk/2）=1.761;

地震作用時，支擋結(jié)構(gòu)背面的主動土壓力系數(shù)∶

KE=（1+0.75×0.125）×0.528=0.58≤Kp

支擋底部土側(cè)壓力為3×18.5×0.58=32.2kN/m。

計算分析可知，每延米擋土結(jié)構(gòu)向上傳遞9.7kN水平荷載至上接地端樓蓋，由樓蓋、框架梁傳遞到附近板塊的豎向構(gòu)件和基礎(chǔ)；向下傳遞38.6kN水平荷載至下接地端基礎(chǔ)，由基底水平構(gòu)件（剛性梁板）傳遞給周邊基礎(chǔ)共同承擔(dān)。結(jié)構(gòu)整體建模時，應(yīng)將支擋水平力按照永久荷載輸入計算，考慮對整體指標(biāo)的影響。

3.5 抗滑移的設(shè)計

山地建筑由于周邊土壓力不均勻、地質(zhì)巖土層傾斜等原因，對建筑整體進(jìn)行抗滑移驗算是必不可少的。對于該工程，為多層框架結(jié)構(gòu)，自重荷載不大，地基土所能提供的抗滑摩擦力有限，出于保守設(shè)計考慮，暫不將地基摩檫力計入抗滑設(shè)計，僅考慮墩基礎(chǔ)水平承載力。

該建筑擋土部分總長36m，掉層部分長18m，根據(jù)上述對支擋結(jié)構(gòu)的計算，可知建筑總水平土壓力為48.3×36=1739kN,其中掉層部分承擔(dān)870kN。建筑總墩基礎(chǔ)數(shù)量74根，其中掉層部分墩基礎(chǔ)數(shù)量31根。

墩基礎(chǔ)是介于淺基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)之間的基礎(chǔ)形式，對于其豎向承載力采用天然基礎(chǔ)的計算模式，出于安全考慮，不計入墩身側(cè)面土體的貢獻(xiàn)。然而，對于墩基礎(chǔ)水平承載力,規(guī)范沒有明確規(guī)定如何確定其水平承載能力，根據(jù)單墩水平承載力特征值Hk經(jīng)驗公式[5]。

式中：η——墩周土水平抗力調(diào)整系數(shù)，一般取0.7～0.9；

α——墩底擴(kuò)大端水平面夾角，取14°；

d——墩身直徑，取0.9m；

D——擴(kuò)大頭直徑，取1.6m；

H——墩入土深度，取5m；

h——墩體直身段，取4m。

以上數(shù)據(jù)代入公式求解可得：單墩水平承載力特征值Hk=68～87kN，取小值Hk=68kN，結(jié)合墩基礎(chǔ)數(shù)量，可知整體建筑水平承載力為5032kN，遠(yuǎn)大于土體水平滑動力。而掉層部分水平承載力也有2108kN，相當(dāng)于掉層水平滑動力的2.4倍。所以可得出結(jié)論，該工程在未計入基底土體摩擦力情況下，依然能滿足水平抗滑的要求。

4 結(jié)束語

山地建筑因其各自地形、地質(zhì)情況不同而具有較大的特異性，每個工程都應(yīng)結(jié)合項目的實際情況綜合考慮。本文根據(jù)實際工程情況，對山地結(jié)構(gòu)設(shè)計中經(jīng)常遇到的一些問題進(jìn)行匯總：

（1）山地建筑不同嵌固高度的豎向抗側(cè)力剛度分布情況的分析，對確定建筑總高度具有重要意義。

（2）掉層結(jié)構(gòu)具有先天不可避免的結(jié)構(gòu)缺陷，在設(shè)計過程中特別注意底部薄弱位置的加強(qiáng)，按規(guī)定調(diào)整其側(cè)向剛度及受剪承載力，提高抗扭能力。

（3）在支擋結(jié)構(gòu)體系的選擇上，應(yīng)因地制宜采用脫開或不脫開設(shè)計，不論哪種形式都應(yīng)充分考慮對整體結(jié)構(gòu)的影響。

（4）山地建筑的抗滑移設(shè)計需要同時滿足整體與局部的滑移要求，避免因滑移錯動帶來的不利扭轉(zhuǎn)影響。對于自重較輕的多層建筑，由自重摩擦提供的抗滑力不足時，可選用錨入土體一定深度的基礎(chǔ)形式（墩基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)等），以提高基底抗滑力，保證建筑抗滑移穩(wěn)定。