基頂不等高結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題分析

趙杰林（重慶華森建筑設(shè)計顧問有限公司，重慶 401120）

基頂不等高結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題分析

趙杰林
（重慶華森建筑設(shè)計顧問有限公司，重慶 401120）

山地場地的建筑依山而建，經(jīng)常出現(xiàn)基頂不等高的結(jié)構(gòu)形式，主要表現(xiàn)為吊腳結(jié)構(gòu)和掉層結(jié)構(gòu)。論文分析了這類結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的一些問題，針對目前此類結(jié)構(gòu)尚無技術(shù)規(guī)定的情況，建議了一些設(shè)計措施。此類結(jié)構(gòu)的缺陷帶給結(jié)構(gòu)很大的影響，甚至涉及結(jié)構(gòu)的安全使用，迫切需要針對此類結(jié)構(gòu)開展系統(tǒng)的理論研究，并形成技術(shù)規(guī)定，用來指導(dǎo)這類結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

基頂不等高結(jié)構(gòu)；吊腳結(jié)構(gòu)；掉層結(jié)構(gòu)；設(shè)計缺陷；設(shè)計措施；技術(shù)規(guī)定

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.002

1 引言

基頂不等高結(jié)構(gòu)，顧名思義就是一棟建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)頂標(biāo)高不在同一個標(biāo)高平面上。汶川地震的震害表明[1]，基頂不等高結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，其結(jié)構(gòu)形式具有先天的不規(guī)則性，抗震性能較差。但是，在坡地場地，這樣的結(jié)構(gòu)卻大量存在著，其中相當(dāng)一部分是高層建筑，而且還在不斷設(shè)計出來。本文就這樣的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式、設(shè)計人員的處理方式、存在的設(shè)計缺陷以及潛在的問題進(jìn)行闡述，以便能引起設(shè)計人員及相關(guān)職能部門的重視。

2 基頂不等高結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式

在坡地場地，根據(jù)對建筑場地處理程度的不同，建筑結(jié)構(gòu)一般以“吊腳”和“掉層”兩種方式接地。當(dāng)不改變坡地場地環(huán)境，利用長短不一的柱將坡地架空成平臺后再在其上修筑建筑，這種接地方式就是“吊腳”（見圖1）。當(dāng)將場地處理成階地后再在不同階上修筑建筑，這樣的接地方式就是“掉層”（見圖2），如果場地高差大，有時還形成多次掉層。吊腳和掉層兩種接地方式的共同特征就是基礎(chǔ)頂標(biāo)高不在一個標(biāo)高平面上，受力性能、設(shè)計方法應(yīng)該不同于基頂標(biāo)高相同的結(jié)構(gòu)。

圖1 吊腳結(jié)構(gòu)

圖2 掉層結(jié)構(gòu)

3 基頂不等高結(jié)構(gòu)的計算處理

圖1或圖2所示的基礎(chǔ)不等高結(jié)構(gòu)形式，目前沒有系統(tǒng)的、成熟的理論研究，也沒有用來指導(dǎo)這種特殊結(jié)構(gòu)形式計算和設(shè)計的技術(shù)規(guī)定。實際設(shè)計中，設(shè)計人對這樣的結(jié)構(gòu)形式無所適從。為了滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[2,3]中的樓層位移比、側(cè)向剛度比、層間受剪承載力比等各項指標(biāo)要求，設(shè)計人對這類結(jié)構(gòu)的幾何模型進(jìn)行了自欺欺人的簡化，將豎向構(gòu)件虛建在同一標(biāo)高，即將基頂不等高的特殊形式的結(jié)構(gòu)按基頂?shù)雀叩钠胀ńY(jié)構(gòu)形式進(jìn)行各項指標(biāo)計算。

4 基頂不等高結(jié)構(gòu)的設(shè)計缺陷

基頂不等高結(jié)構(gòu)是一種豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計人為了使計算指標(biāo)滿足規(guī)范要求，采取1種不能反映結(jié)構(gòu)實際工作狀態(tài)的簡化計算模型，存在如下設(shè)計缺陷。

4.1 結(jié)構(gòu)的計算指標(biāo)不真實

設(shè)計人對結(jié)構(gòu)幾何模型的不合理簡化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則性沒有體現(xiàn)出來，雖然計算指標(biāo)表面上滿足規(guī)范，但實際上這些指標(biāo)是超限的，掩蓋了結(jié)構(gòu)存在的嚴(yán)重問題。

4.2 結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算不真實

結(jié)構(gòu)承受的地震力計算失真。首先，地震作用時建筑物所受地震力大小不僅與場地介質(zhì)有關(guān)，而且還與地形有關(guān)。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》僅對建在局部突出地形上的結(jié)構(gòu)要求地震作用放大，但是,對于依山而筑的山地結(jié)構(gòu)未明確說明需要放大地震作用，實際設(shè)計中設(shè)計人按不放大地震作用進(jìn)行計算，然而汶川地震的震害表明，斜坡上的建筑震害較周邊平地上的建筑嚴(yán)重，說明坡地上的地震動有放大效應(yīng)；其次，對于圖2所示的掉層結(jié)構(gòu)，上平臺的土（巖）體在地震作用下產(chǎn)生的動土壓力傳遞給結(jié)構(gòu)，此動土壓力目前條件下較難計算，實際計算中也忽略了這一不利因素。因此，這類結(jié)構(gòu)的計算地震作用小于實際地震作用，計算受力和變形可能變小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在遭受實際地震作用時安全儲備不足。

結(jié)構(gòu)的剛度計算失真。圖1的吊腳結(jié)構(gòu)首層以下豎向構(gòu)件長短不一，如果構(gòu)件截面相同，越短的構(gòu)件剛度越大，吸收的地震作用越大，汶川地震中就發(fā)現(xiàn)這類結(jié)構(gòu)因短柱首先剪壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌的案例。圖2的掉層結(jié)構(gòu)上平臺標(biāo)高的豎向構(gòu)件因構(gòu)件端部約束程度不一樣，構(gòu)件剛度不一樣，導(dǎo)致內(nèi)力不一樣。但是，由于設(shè)計人對此類結(jié)構(gòu)的幾何模型進(jìn)行了不合理的簡化，上述結(jié)構(gòu)受力特性完全沒有得到體現(xiàn)。

4.3 基礎(chǔ)側(cè)向剛度不滿足

圖2所示的掉層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計時，上平臺部分的結(jié)構(gòu)假定力學(xué)嵌固面就在上平臺，然而，上平臺的土（巖）體在水平力作用下會產(chǎn)生位移，即結(jié)構(gòu)嵌固面發(fā)生位移，而實際設(shè)計時沒有考慮這一因素，導(dǎo)致掉層結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算失真，影響結(jié)構(gòu)安全。

4.4 結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算不真實

結(jié)構(gòu)抗傾覆計算時假定基頂?shù)雀?，基礎(chǔ)形心與永久作用重力荷載重心重合，基礎(chǔ)底面反力呈線性分布。上述圖1和圖2所示的基頂不等高結(jié)構(gòu)明顯與這些假定不符，根據(jù)計算軟件出來的結(jié)果按照基底零應(yīng)力區(qū)面積來判定結(jié)構(gòu)抗傾覆是否滿足，這對基頂不等高結(jié)構(gòu)來說是不合理的。

4.5 結(jié)構(gòu)抗滑移驗算難以進(jìn)行

位于坡地上的結(jié)構(gòu)不僅存在結(jié)構(gòu)本身的滑移問題，而且還存在結(jié)構(gòu)下部土（巖）體的滑移問題。但是，現(xiàn)實情況是很難計算，一方面，坡地上的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)一般不是筏基或樁筏整體式基礎(chǔ)，而是獨立基礎(chǔ)或樁基或者二者的結(jié)合，基底標(biāo)高各不相同，這樣導(dǎo)致滑移面的確定變得很復(fù)雜；另一方面，可以提供給設(shè)計人的參考資料很少，使得設(shè)計人不知道怎樣驗算。這兩方面原因?qū)е缕碌厣系慕Y(jié)構(gòu)幾乎沒進(jìn)行抗滑移驗算。

4.6 高層建筑的基礎(chǔ)埋深不足

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4](JGJ3—2002)第12.1.7條指出，當(dāng)建筑物采用巖石地基時，基礎(chǔ)埋深不受如下兩個規(guī)定限制：（1）天然地基或復(fù)合地基，基礎(chǔ)埋深可取房屋高度的1/15；（2）樁基礎(chǔ)，不計樁長，可取房屋高度的1/18。由于這個規(guī)定，在巖石場地，出現(xiàn)大量無地下室的高層建筑，使得高層建筑出現(xiàn)基頂不等高狀態(tài)變得有據(jù)可依?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3—2010)對上述規(guī)定進(jìn)行了調(diào)整，其第12.1.8條規(guī)定，當(dāng)建筑物是巖石地基時，基礎(chǔ)埋深可比上述（1）和（2）兩款的規(guī)定適當(dāng)放松。說明巖石場地的高層建筑也是需要地下室的，才能滿足基礎(chǔ)埋深要求。但是，一些地區(qū)的設(shè)計人由于習(xí)慣勢力的影響，無視規(guī)范的規(guī)定，設(shè)計出大量無地下室且基頂不等高的高層建筑，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是否滿足僅僅通過不同高寬比下基底零應(yīng)力區(qū)面積來進(jìn)行判斷，不可避免存在安全隱患。

5 基頂不等高結(jié)構(gòu)的設(shè)計措施

5.1 目前采取的措施及存在的問題

設(shè)計界普遍意識到了基頂不等高結(jié)構(gòu)的特殊性，有經(jīng)驗的設(shè)計人采取了一些措施來彌補設(shè)計時留下的隱患。但是，由于研究工作的滯后，缺乏指導(dǎo)性的技術(shù)規(guī)定，設(shè)計人也只能憑經(jīng)驗采取措施，如針對圖1的吊腳結(jié)構(gòu)，加強結(jié)構(gòu)的吊腳部分，針對圖2的掉層結(jié)構(gòu)，加強結(jié)構(gòu)的掉層部分，希望達(dá)到減少這種結(jié)構(gòu)的特殊性對結(jié)構(gòu)的不利影響的目的。但是，由于這些措施缺乏理論依據(jù)和控制尺度，很可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)薄弱層或薄弱部分發(fā)生轉(zhuǎn)移，引起新的問題。譬如，圖1的吊腳結(jié)構(gòu)如果過分加強了吊腳部分，導(dǎo)致薄弱層向上轉(zhuǎn)移，汶川地震震害不乏這樣的破壞案例，圖2的掉層結(jié)構(gòu)，在上平臺標(biāo)高，與上平臺相接的豎向構(gòu)件端部約束相對其它豎向構(gòu)件要大，必然吸收更多的水平作用力，結(jié)構(gòu)的薄弱部位應(yīng)該在此處，如果還人為加強掉層部分，更加重了此薄弱部位的薄弱程度。

5.2 設(shè)計措施建議

在目前對基頂不等高結(jié)構(gòu)設(shè)計無技術(shù)規(guī)定可依的情況下，根據(jù)上述分析，筆者認(rèn)為，應(yīng)采取合理措施來盡可能減少此類結(jié)構(gòu)的特殊性對其承載能力和承載性能的影響。

1）結(jié)構(gòu)計算時應(yīng)采用真實的結(jié)構(gòu)幾何模型，以便體現(xiàn)出豎向構(gòu)件線剛度的不同和其端部約束的差異。宜采用兩個不同力學(xué)模型的計算軟件進(jìn)行計算，相互比較和分析，以保證結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的可靠性和準(zhǔn)確性。

2）對于掉層結(jié)構(gòu)的豎向剛度分布控制，如果按規(guī)范對普通結(jié)構(gòu)的要求，實現(xiàn)困難或者實現(xiàn)代價非常大，實際上，此類結(jié)構(gòu)與底部帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)具有相似性，目前，可以根據(jù)帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)的規(guī)定進(jìn)行此類結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和層間受剪承載力的控制。

3）坡地上形成基頂不等高的結(jié)構(gòu)，地震作用計算時宜按不利地段進(jìn)行考慮，其水平地震影響系數(shù)最大值應(yīng)乘以增大系數(shù)，取值可按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定。

4）針對掉層結(jié)構(gòu)上平臺部分基礎(chǔ)側(cè)向剛度不足問題，擋土墻應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行支護(hù)，嚴(yán)格控制擋土墻變形，不應(yīng)簡單采用與結(jié)構(gòu)連為一體的鋼筋混凝土擋土墻。

5）在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的傾覆驗算時，基頂不等高結(jié)構(gòu)相對普通結(jié)構(gòu)來說，計算傾覆力矩時，水平荷載的分布及傾覆力臂是不同的，計算抗傾覆力矩時，結(jié)構(gòu)的重心發(fā)生了偏移。由于這些差異，不能簡單套用規(guī)范中的結(jié)構(gòu)高寬比限值及規(guī)定，必須進(jìn)行手算復(fù)核。

6）基頂不等高結(jié)構(gòu)的滑移問題，應(yīng)首先從構(gòu)造措施上進(jìn)行控制，第一，如果巖層的裂隙面傾斜角度和傾斜方向朝向臨空面，不應(yīng)在坡地上修建此類形狀的建筑物；第二，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底的應(yīng)力擴(kuò)散范圍內(nèi)無臨空面；第三，掉層結(jié)構(gòu)不應(yīng)多次掉層，一棟建筑物最多一次掉層；第四，掉層部分的豎向構(gòu)件不宜少于全部豎向構(gòu)件的一半；第五，掉層高度不宜超過2層。

6 結(jié)語

在山地場地，基頂不等高建筑被廣泛應(yīng)用，而且日益增多。本文分析了此類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的一些問題，主要體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)地震作用的輸入問題，結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則問題，結(jié)構(gòu)抗震措施問題以及結(jié)構(gòu)傾覆和滑移問題。這些問題的出現(xiàn)，主要是由于針對此類形態(tài)的結(jié)構(gòu)理論研究滯后，沒有形成可以用于指導(dǎo)設(shè)計的技術(shù)規(guī)定。一旦缺乏用于設(shè)計遵守的技術(shù)規(guī)定，必將出現(xiàn)各式各樣的設(shè)計，不可避免存在安全隱患。因此，加快此類結(jié)構(gòu)的研究，盡快出臺技術(shù)規(guī)定顯得非常緊迫和必要。

【1】李英民，劉立平.汶川地震建筑震害與思考[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2008.

【2】GB50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

【3】JGJ3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

【4】JGJ3—2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

Analysis onDesign Problems of Structures withUnequal Height Foundation Top

ZHAO Jie-lin
(Chongqing Huasen Architectural Designing ConsultantsLtd.,Chongqing 401120，China)

】Structures with unequal height foundation top are often appeared in buildings on the slope. They aremainly suspendingstructures and structures supported by foundations with different locations. In this paper, some problems of structures with unequalheight foundation top are discussed. Under the condition of no technical regulations for such structures, some design measures areproposed in this paper. The drawbacks of such structures have a great influence on the structural safety, so there is an urgent need forsystematic researchonsuchstructuresandtechnical regulationsusedtoguide theirdesign .

】structures with unequal height foundation top；suspending structures；structures supported by foundations withdifferent locations；designdefects；designmeasures；technical regulations

TU318

A

1007-9467（2016）12-0029-03

2016-06-07

趙杰林（1972～），男，四川岳池人，高級工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)抗震研究。