某帶下掉層坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王炳坤

(福建晟業(yè)建筑設(shè)計(jì)有限公司 福建福州 350028)

某帶下掉層坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王炳坤

(福建晟業(yè)建筑設(shè)計(jì)有限公司 福建福州 350028)

帶下掉層坡地建筑，建筑物四周土體約束不均衡，與常規(guī)的建筑受力上差異較大。此類坡地建筑受場(chǎng)地和土體的影響，結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)天生不規(guī)則性。文章結(jié)合工程實(shí)例，考慮坡地建筑設(shè)計(jì)中的抗震概念設(shè)計(jì)、崁固端的選擇、基礎(chǔ)埋深計(jì)算以及結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算等問題，通過概念設(shè)計(jì)和受力分析對(duì)帶下掉層坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討并提出解決方案。

帶下掉層坡地建筑；基礎(chǔ)埋深；崁固端；概念設(shè)計(jì)

0 引言

隨著城市建筑用地緊張和綠色建筑的概念廣泛運(yùn)用，坡地建筑逐漸成為一種趨勢(shì)。但大多數(shù)坡地建筑由于場(chǎng)地的高低變化，結(jié)構(gòu)崁固端存在多個(gè)平面，從而底部豎向構(gòu)件約束不在同一水平面上，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯不規(guī)則性。同時(shí)，建筑四周土體不均衡，邊坡對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響，地基的不均勻性等都給結(jié)構(gòu)帶來安全隱患。

因此，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)予以重視，結(jié)構(gòu)宜均勻布置，模擬計(jì)算應(yīng)選擇符合實(shí)際的力學(xué)模型。本文結(jié)合具體的工程實(shí)例，通過概念設(shè)計(jì)和受力分析對(duì)某帶下掉層坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討并提出解決方案。

1 工程概況

該工程為4層框架結(jié)構(gòu)，局部一層下掉層，建筑高度17.800m。擬建場(chǎng)地位于西藏昌都市察雅縣，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)規(guī)定，擬建場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度為0.15g，地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為II類，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防，抗震等級(jí)為二級(jí)[1]。擬建場(chǎng)地位于麥曲河右側(cè)階地地帶，未出現(xiàn)滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，根據(jù)地勘報(bào)告，建議以第②層粉質(zhì)粘土層為持力層，擬采用獨(dú)立基礎(chǔ)。建筑剖面示意圖如圖1所示。

圖1 建筑剖面示意圖

2 抗震概念設(shè)計(jì)

坡地建筑建造在抗震不利地段時(shí)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)規(guī)定，應(yīng)估計(jì)不利地段對(duì)設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)可能產(chǎn)生的放大作用，其水平地震影響系數(shù)最大值應(yīng)乘以1.1～1.6倍的增大系數(shù)[1]。該工程根據(jù)規(guī)范公式：λ=1+ξ×α，求得λ=1.20，水平力影響系數(shù)最大值為0.12×1.20=0.144，故該工程地震影響系數(shù)最大值取0.14。

汶川大地震震害表明，坡地建筑中的掉層結(jié)構(gòu)和吊腳結(jié)構(gòu)震害嚴(yán)重，主要由于結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件不連續(xù)造成質(zhì)心偏置，結(jié)構(gòu)在地震作用下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，極易在結(jié)構(gòu)底部形成薄弱層[2]，若不采取措施，將會(huì)使建筑造成嚴(yán)重破壞。故該工程采取以下有效措施：

(1)±0.000m標(biāo)高設(shè)置梁板，板厚取160mm，形成數(shù)倍于上部的剛度，對(duì)上部結(jié)構(gòu)有一定的約束作用。樓板采取雙層雙向拉通配筋，并滿足每層每個(gè)方向的配筋率不小于0.25%。同時(shí)，基礎(chǔ)面標(biāo)高設(shè)置基礎(chǔ)梁，在±0.000m標(biāo)高和基礎(chǔ)面共形成兩層剛度。

(2)加大掉層柱斷面尺寸，掉層柱配筋不小于上一層柱對(duì)應(yīng)縱向鋼筋的1.1倍，并對(duì)下掉層柱箍筋加密。若結(jié)構(gòu)中有穿層柱，應(yīng)加大穿層柱截面，穿層柱縱筋應(yīng)貫穿，箍筋全高加密。

(3)主體結(jié)構(gòu)不宜兼作擋土墻。當(dāng)主體結(jié)構(gòu)兼作擋土墻的時(shí)候，在土體一側(cè)擋土墻垂直方向設(shè)置鋼筋混凝土肋墻，肋墻間距≤3m，與擋土墻同高，肋墻厚度300mm，梯形肋墻底部長(zhǎng)度1200mm,上部長(zhǎng)度100mm。肋墻用于減小土體壓力對(duì)主體結(jié)構(gòu)的不利影響，如圖2所示。

(4)合理布置結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比，使其滿足規(guī)范的要求。

圖2 肋墻大樣圖

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算崁固端設(shè)置

帶下掉層坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與普通建筑均應(yīng)保證基礎(chǔ)嵌固條件的有效性，崁固端必須能夠限制上部結(jié)構(gòu)的位移并傳遞上部結(jié)構(gòu)水平力。該工程為掉層結(jié)構(gòu)，如圖3所示，掉層部分其中一側(cè)沒有全埋入土中，該外露側(cè)沒有土體約束，掉層頂板不能作為崁固端，結(jié)構(gòu)四周均有達(dá)到夯實(shí)要求土體的全埋式地下室才能作為上部結(jié)構(gòu)的崁固端[3]。以基礎(chǔ)層為崁固端，上部結(jié)構(gòu)水平力通過柱和墻傳給基礎(chǔ)和基礎(chǔ)周邊土體。PKPM在模擬計(jì)算時(shí)，在設(shè)計(jì)參數(shù)中，把上接地端標(biāo)高設(shè)為基礎(chǔ)連接最大柱底標(biāo)高，或設(shè)置柱底支座，否則程序會(huì)顯示懸空柱。此兩種方式設(shè)置完后，PKPM程序能夠識(shí)別崁固端的位置以及首層柱的計(jì)算長(zhǎng)度。

圖3 下掉層結(jié)構(gòu)(設(shè)置上接地端樓蓋)

4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

帶下掉層坡地建筑，因土層變化較大，或出現(xiàn)階梯型土層等，巖層大多呈現(xiàn)不穩(wěn)定性，基礎(chǔ)或處于邊坡邊緣，相應(yīng)地基承載力有可能降低，場(chǎng)地對(duì)建筑約束的不均勻是造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的主要原因之一。因此，工程設(shè)計(jì)時(shí)，在基礎(chǔ)埋深滿足規(guī)范要求的前提下，不僅應(yīng)進(jìn)行地基承載力驗(yàn)算，還應(yīng)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算，對(duì)不滿足要求的天然坡地進(jìn)行邊坡處理或設(shè)置永久性護(hù)坡。

4.1 基礎(chǔ)埋置深度計(jì)算

坡地建筑地面多數(shù)不在一個(gè)平面上，常會(huì)出現(xiàn)掉層結(jié)構(gòu)和吊腳結(jié)構(gòu)，場(chǎng)地或基礎(chǔ)土層出現(xiàn)階梯式，這樣基礎(chǔ)便會(huì)出現(xiàn)較多高差。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)規(guī)定，在抗震設(shè)防區(qū)，天然地基上的箱型和筏型基礎(chǔ)其埋置深度不應(yīng)小于建筑物高度的1/15；樁基不應(yīng)小于建筑物高度的1/18[1]。建筑物高度應(yīng)以室外地面最低點(diǎn)至房屋主要屋面為標(biāo)高。該工程室外地面最低點(diǎn)為-4.600m，主要屋面板標(biāo)高為13.200m，故建筑物高度H=13.200m+4.600m=17.800m,基礎(chǔ)埋深d=H/15=17.800/15=1.187m,結(jié)合地質(zhì)勘察資料，以第②層粉質(zhì)粘土層為持力層，采用獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深1.5m。

該工程結(jié)構(gòu)底部標(biāo)高和土層均為階梯式，掉層部分基礎(chǔ)底標(biāo)高約為-6.200m，上接地層基礎(chǔ)底標(biāo)高為階梯式，分別為-3.500m、-4.000m、-4.600m。坡地基礎(chǔ)出現(xiàn)較多高低差時(shí)，相鄰基礎(chǔ)間距不小于基礎(chǔ)底高差的1～2倍，即L≥(1～2)ΔH。逐步放坡的同時(shí)，適當(dāng)提高基礎(chǔ)的剛度，以免發(fā)生不均勻沉降。

4.2 地基穩(wěn)定性驗(yàn)算

對(duì)位于邊坡上的基礎(chǔ)，應(yīng)進(jìn)行地基承載力和穩(wěn)定性驗(yàn)算。該工程以土質(zhì)邊坡為例，當(dāng)坡高小于8m, 坡角β小于45°,垂直于坡頂邊緣線的基礎(chǔ)底面邊長(zhǎng)小于或等于3m，條形基礎(chǔ)：a≥3.5b-d/tanβ[4]； 矩形基礎(chǔ)：a≥2.5b-d/tanβ[4],且a不小于2.5m時(shí)，可按平地地基進(jìn)行承載力驗(yàn)算，否則應(yīng)進(jìn)行地基穩(wěn)定性驗(yàn)算。其驗(yàn)算公式為：MR/MS≥1.2[4],其中，MR為抗滑力矩，Ms為滑動(dòng)力矩。邊坡穩(wěn)定性不滿足要求時(shí)應(yīng)調(diào)整基礎(chǔ)平面位置和埋深或?qū)吰逻M(jìn)行處理，以滿足設(shè)計(jì)要求，如圖4所示。

圖4 邊坡上基礎(chǔ)示意圖

5 擋土墻設(shè)置

坡地建筑設(shè)置鋼筋混凝土擋土墻分為兩種方式，一種與主體結(jié)構(gòu)脫開設(shè)置，另一種與主體形成一個(gè)整體。

(1)擋墻與主體脫開。單獨(dú)設(shè)置擋墻，擋墻護(hù)坡施工完畢方可進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的施工。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)受力明顯，主體結(jié)構(gòu)不再承受土體水平力；缺點(diǎn)是施工工期長(zhǎng)，土方開挖大，浪費(fèi)場(chǎng)地空間。

(2)主體結(jié)構(gòu)兼作擋土墻。優(yōu)點(diǎn)是主體同擋墻一起施工，工期可以得到保證，減少土方開挖，建筑空間使用靈活。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)受力不明顯，擋墻四周土體對(duì)主體結(jié)構(gòu)直接傳遞水平荷載，使結(jié)構(gòu)底部產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。PKPM計(jì)算時(shí)按近似法，土體水平荷載的1/3輸入柱頂節(jié)點(diǎn)，2/3輸入基礎(chǔ)層節(jié)點(diǎn)，參與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算。在擋土墻垂直方向設(shè)置鋼筋砼肋墻，用來減小土體水平力對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響。

該工程選用主體結(jié)構(gòu)兼作擋土墻方式節(jié)約土方的開挖，保證工程工期，對(duì)主體結(jié)構(gòu)采取了加強(qiáng)掉層豎向構(gòu)件截面和配筋，設(shè)置垂直于擋土墻的鋼筋混凝土肋墻等措施，并嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比，滿足規(guī)范要求，保證主體結(jié)構(gòu)安全。

6 結(jié)語

坡地建筑依山而建，充分利用自然與坡地資源，使人、建筑和大自然和諧統(tǒng)一。但同時(shí)，坡地建筑呈天生不規(guī)則性，結(jié)構(gòu)受力不均衡，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，抗震性能較差。這須在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)特別注意的問題。本文對(duì)坡地多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出以下4點(diǎn)建議：

(1)從抗震概念設(shè)計(jì)出發(fā)，合理布置結(jié)構(gòu)，控制扭轉(zhuǎn)位移比；增大地震水平力影響系數(shù)，考慮不利地段對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；增強(qiáng)掉層部分結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的剛度，加強(qiáng)配筋。

(2)合理選擇結(jié)構(gòu)計(jì)算崁固端，并增設(shè)地面層梁板，使其形成一定的約束作用。

(3)控制基礎(chǔ)的埋深，當(dāng)無法達(dá)到規(guī)定的埋深時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，并采用抗拔樁、抗拉錨桿等增加抗傾覆能力。房屋高度應(yīng)從室外最低點(diǎn)起算，基礎(chǔ)底標(biāo)高宜設(shè)置在同一水平面上，階梯相鄰基礎(chǔ)間距不小于基礎(chǔ)底高差的1～2倍，逐步放坡。

(4)擋土墻設(shè)置，與主體結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，須把土體水平荷載輸入柱節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，在垂直擋土墻方向設(shè)置鋼筋混凝土肋墻，用來抵擋一部分土體傳給主樓的水平力。

[1] GB50010-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] 王麗萍，李英明，鄭妮娜，等.5·12汶川地震典型山地建筑結(jié)構(gòu)房屋震害調(diào)查[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，41(6):822-826.

[3] 林功丁.結(jié)構(gòu)崁固端的確定及相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].福建建筑，2015.

[4] GB50007-2011 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

Thestructuraldesignforaslopebuildingwithbasement

WANGBingkun

(Fujian ShengYe Architectural Design Co., Ltd.,Fuzhou 350028)

Slope building with basement, the restriction of the soil around the building is not balanced, and the normal building stress difference, such slope construction is affected by field and soil structure, easy to produce large torsion effect, showing irregular natural structure.Combining with the project examples, consider the seismic conceptual design, the architectural design of the slope with the fixed end of the selection, foundation depth calculation, simulation calculation and structural problems, and through the force analysis of the conceptual design of building structure design of slope belt hanging layer was discussed and solutions were put forward.

Slope building; Depth of foundation; The constrained part; Concept design

王炳坤(1983.11- )，男。

E-mail:wbk2007@163.com

2017-10-15

TU3

A

1004-6135(2017)12-0028-03