山地建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究

文/張磊 北京首都工程建筑設(shè)計(jì)有限公司 北京 100089

山地建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究

文/張磊 北京首都工程建筑設(shè)計(jì)有限公司 北京 100089

隨著人們對(duì)人居環(huán)境要求的提高，與山地地形相結(jié)合的山地建筑越來(lái)越多的出現(xiàn)在城市郊區(qū)的住宅規(guī)劃中。但是這種在坡地上底部構(gòu)件約束部位不在同一水平面上且不能簡(jiǎn)化為同一水平面上的結(jié)構(gòu)形式，常常伴隨著平面或豎向不規(guī)則等導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗震不利的情況出現(xiàn)，這時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者不能以簡(jiǎn)單的平地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思維來(lái)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和具體的施工圖設(shè)計(jì)，而應(yīng)對(duì)山地建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)復(fù)雜性給予特別的重視。

山地建筑；平地建筑；洋房；別墅；復(fù)雜性；抗震不利

0 概述

現(xiàn)階段，針對(duì)山地建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的規(guī)范很匱乏，這就需要我們?cè)O(shè)計(jì)人在實(shí)際工程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，不斷的完善山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算和構(gòu)造方面的處理辦法，增強(qiáng)實(shí)際工程應(yīng)用的可操作性。

1 山地建筑結(jié)構(gòu)的震害特點(diǎn)

1.1 山地建筑結(jié)構(gòu)的類型界定

山地建筑結(jié)構(gòu)的主要類型，《重慶市住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出了界定，有吊腳結(jié)構(gòu)和掉（錯(cuò)）層結(jié)構(gòu)兩種類型。見下圖。

1.2 山地建筑結(jié)構(gòu)的震害特點(diǎn)

5·12汶川地震后，諸多結(jié)構(gòu)專家深入災(zāi)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，對(duì)典型山地建筑震害特點(diǎn)進(jìn)行分析例證，為后續(xù)的這種特殊建筑類型的抗震設(shè)計(jì)工作提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和啟示。

山地建筑結(jié)構(gòu)的震害特點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn)：

(1) 架空層形成柔弱底層而嚴(yán)重破壞；

(2) 采用長(zhǎng)短不同柱將坡地架空，短柱易發(fā)生剪切破壞；

(3) 采用樁柱混合體系將坡地架空，樁基礎(chǔ)易發(fā)生破壞；

(4) 錯(cuò)層處樓梯柱、樓梯板破壞嚴(yán)重；

(5) 陡坎邊緣地帶建筑物震害較重等。

山地建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和啟示：

(1) 選擇建筑場(chǎng)地時(shí)應(yīng)盡量避開不穩(wěn)定的邊坡和陡坎；

(2) 山地建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能需要嚴(yán)格的構(gòu)造措施和施工質(zhì)量給予保證；

(3) 山地建筑結(jié)構(gòu)架空層易形成柔弱底層，對(duì)于不等高柱架空，建議從概念設(shè)計(jì)上考慮和采取必要的抗震構(gòu)造措施，盡量避免短柱和上剛下柔；

(4) 由于山地建筑結(jié)構(gòu)豎向剛度不規(guī)則，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，建議設(shè)計(jì)時(shí)底部加強(qiáng)；

(5) 山地建筑架空層常會(huì)為了設(shè)計(jì)和施工方便，直接把樁基礎(chǔ)伸出地面當(dāng)柱使用，由于其抗彎和抗剪都較弱，出地面的樁身容易發(fā)生破壞，建議設(shè)計(jì)時(shí)勿用樁代替柱，如代替柱，樁應(yīng)按柱設(shè)計(jì)；

2 山地建筑與平地建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的差異

2.1 房屋建筑高度的確定

房屋的總高度是指起算地面到主要屋面板板頂或檐口的高度。

（1）平地建筑，起算地面一般指室外地面，半地下室時(shí)指地下室室內(nèi)地面，全地下室和嵌固條件好的半地下室指室外地面。

（2）坡地建筑，起算地面指較低一側(cè)的室外地面。

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算嵌固端的選擇

（1）平地建筑，無(wú)地下室的結(jié)構(gòu)，可取獨(dú)立基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)底為計(jì)算嵌固端，有地下室的結(jié)構(gòu)，地下室頂板作為結(jié)構(gòu)嵌固端時(shí)應(yīng)滿足規(guī)范對(duì)于計(jì)算嵌固端下一層與上一層比值的要求，《抗規(guī)》中6.1.14條及《高規(guī)》5.3.7條中都有規(guī)定。

（2）坡地建筑，掉層結(jié)構(gòu)當(dāng)下接地部分面積小于上層面積的15%時(shí)或上下接地位置高差小于1/2層高時(shí)，嵌固端可視為同高；當(dāng)嵌固端選為上接地位置時(shí)，下部結(jié)構(gòu)與上部對(duì)應(yīng)部分的側(cè)向剛度比值不應(yīng)小于2；當(dāng)嵌固端選在不同高度位置時(shí)，宜優(yōu)先采取獨(dú)立設(shè)計(jì)的擋土結(jié)構(gòu)，保證上接地部位坡地的穩(wěn)定性。

2.3 風(fēng)壓高度起算點(diǎn)的確定

(1) 平地建筑，風(fēng)荷載計(jì)算中高度的起算點(diǎn)為建筑室外地坪。

(2)坡地建筑，風(fēng)荷載計(jì)算中高度的起算點(diǎn)宜取為建筑較低一側(cè)的室外地面；考慮地形條件的風(fēng)壓高度變化系數(shù)的修正按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009采用。

2.4 關(guān)于地震動(dòng)作用的放大

（1）平地建筑，無(wú)地震動(dòng)放大的要求。

（2）坡地建筑，按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010第4.1.8條規(guī)定，水平地震影響系數(shù)最大值應(yīng)乘以增大系數(shù)。

2.5 結(jié)構(gòu)樓層的側(cè)向剛度問(wèn)題

（1）平地建筑，應(yīng)滿足《抗規(guī)》和《高規(guī)》對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)形式的具體要求。

（2）坡地建筑，除應(yīng)足《抗規(guī)》和《高規(guī)》對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)形式的具體要求外，尚應(yīng)符合下列規(guī)定：

a.對(duì)吊腳建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)驗(yàn)算建筑底層以下吊腳部分的等效側(cè)向剛度，其值與上部若干層的等效側(cè)向剛度之比宜接近于1，非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于0.5，抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于0.8。驗(yàn)算時(shí)，吊腳部分的高度可取為最大和最小吊腳高度的平均值，上部若干層結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算高度接近且不大于該平均值。

b.對(duì)掉層建筑，應(yīng)驗(yàn)算上接地層及以下部分的等效側(cè)向剛度，其值與上部結(jié)構(gòu)若干層的等效側(cè)向剛度之比宜接近于1，非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于0.5，抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于0.8。驗(yàn)算時(shí)，上接地層及以下部分的等效高度可按各豎向構(gòu)架的側(cè)向剛度進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，上部若干層結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算高度接近且不大于該平均值。

2.6 結(jié)構(gòu)樓層受剪承載力的問(wèn)題

（1）平地建筑，應(yīng)滿足《抗規(guī)》和《高規(guī)》對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)形式的具體要求。

（2）坡地建筑，當(dāng)為吊腳結(jié)構(gòu)時(shí)，吊腳部分層間受剪承載力不宜小于其上層相應(yīng)部位豎向構(gòu)件的承載力之和；當(dāng)為掉層結(jié)構(gòu)時(shí)，掉層層間受剪承載力不宜小于其上層相應(yīng)部位豎向構(gòu)件的承載力之和。

2.7 關(guān)于地基基礎(chǔ)形式的確定

（1）平地建筑，同一結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)不宜設(shè)置在截然不同的地基上，一般情況下，同一結(jié)構(gòu)單元不宜部分采用天然地基部分采用樁基。當(dāng)必須采用不同的基礎(chǔ)形式時(shí)應(yīng)采取必要的措施平衡不均勻沉降的產(chǎn)生。

（2）坡地建筑，巖石地基時(shí)可部分采用天然地基部分采用樁基，但應(yīng)加強(qiáng)樁基剛度。由于巖石地基剛度大，一般可不考慮不均勻沉降帶來(lái)的不利影響。

3 山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際工程中若干細(xì)節(jié)問(wèn)題的處理

金地門頭溝項(xiàng)目位于北京市門頭溝區(qū)龍泉鎮(zhèn)高家園村，場(chǎng)地位于山前緩坡地帶，地勢(shì)呈臺(tái)階狀。該場(chǎng)地內(nèi)建有會(huì)所，聯(lián)排別墅，花園洋房，普通商品房，地下車庫(kù)等，通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作，匯總?cè)缦隆?/p>

3.1 本工程的顯著特點(diǎn)是小區(qū)內(nèi)道路標(biāo)高較高，各主樓的±0.000的絕對(duì)高程要普遍高出現(xiàn)狀地面，而現(xiàn)狀地面表層雜填土土層較厚，這就使得即使帶一層地下室的結(jié)構(gòu)（假設(shè)地下室層高3.00m），滿足建筑要求埋深的基礎(chǔ)其底面（約為-3.50m）也很難落在有效的地基持力層上。

對(duì)于示范區(qū)各主樓，采用結(jié)構(gòu)主體直接下落到地基持力層上的方法，即局部增加地下二層（結(jié)構(gòu)層）或?qū)ⅹ?dú)立基礎(chǔ)直接下落到持力層。此方法無(wú)需提前進(jìn)行地基處理工作，施工隊(duì)可直接進(jìn)場(chǎng)工作。

對(duì)于非示范區(qū)各主樓，采用的基礎(chǔ)方案如下：

（1）花園洋房因?qū)訑?shù)較高屬于高層建筑，天然地基承載力只有120kPa～140kPa，即使經(jīng)過(guò)修正也基本不能滿足承載力的要求，而且與車庫(kù)相連的部分因車庫(kù)基礎(chǔ)較主樓基礎(chǔ)要低，基本不能進(jìn)行深度修正，所以對(duì)天然地基的承載能力更加不利，建議采用CFG樁進(jìn)行地基處理。

（2）聯(lián)排別墅因無(wú)地下室，根據(jù)詳堪可酌情采用墻下條形基礎(chǔ)，或采用筏板基礎(chǔ)。采用墻下條形基礎(chǔ)時(shí)，可僅在+0.00處做拉梁，不做樓板，建筑做地面做法。

當(dāng)標(biāo)高之差≥0，采用天然地基地基；

當(dāng)-2米≤標(biāo)高之差≤-2,5米，采用換填地基；

當(dāng)標(biāo)高之差≥-2.5米，采用CFG復(fù)合地基；

（3）公租房因?qū)訑?shù)較高屬于高層建筑，天然地基承載力只有120kPa～140kPa，采用CFG樁進(jìn)行地基處理?；卓蓽\埋，基底標(biāo)高為-2.000，局部由于設(shè)備管線穿行基底需降板，基底與+0.00間回填土。

4 總結(jié)

首先，要進(jìn)行整體大局的把控，搞清楚建筑總圖中各主體及主體外建筑完成面的標(biāo)高，明確支擋結(jié)構(gòu)的位置及各子項(xiàng)的施工順序。其次，對(duì)于各主體結(jié)構(gòu)，需最先進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，了解山地建筑結(jié)構(gòu)震害的特點(diǎn)，從而有針對(duì)性的對(duì)各局部環(huán)節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)。

[1] GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010年.

[2]GB50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010年.

研究方向：山地建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究。

圖十一 鋼梁絕對(duì)撓度圖(恒+活) (mm)

圖十二 sap2000三維計(jì)算一層半處鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖

因?qū)嶋H柱子兩端是有位移和變形的，不是完全的固定支座，應(yīng)該考慮結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，故用sap2000空間三維建模計(jì)算，經(jīng)計(jì)算應(yīng)力比增大(如圖十二)，位移也發(fā)生變化，但都在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

目前該工程已建成兩年，實(shí)踐表明該結(jié)構(gòu)形式合理，計(jì)算理論正確，對(duì)于工程實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義。

懸挑結(jié)構(gòu)形式多樣，但大都從樓層處懸挑，半樓層處懸挑的結(jié)構(gòu)介紹及研究尚不多見。隨著人類對(duì)美感的追求越來(lái)越高，對(duì)結(jié)構(gòu)形式的要求也越來(lái)越高。本文通過(guò)在樓層間加設(shè)與樓層梁鉸接連接的鋼柱，在鋼柱中間段加設(shè)與鋼柱剛接連接的懸挑鋼梁的理論探討及工程實(shí)踐應(yīng)用對(duì)于懸挑結(jié)構(gòu)的研究及實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考意義。

張磊（1983.01），男，漢族，北京大興，本科，職稱：中級(jí)。北京首都工程建筑設(shè)計(jì)有限公司，