山地建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)特殊性探討

靳金堂

上海析越建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司 上海 201812

正文：

1 引言

山地建筑依山而建，坡地或臺(tái)地地基造成了其不同于平地建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使其具有先天豎向不規(guī)則性的特點(diǎn)，現(xiàn)行規(guī)范的控制指標(biāo)和計(jì)算方法對(duì)其并不完全適用，山地建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)具有特殊性。

相比于平地建筑，山（坡）地建筑結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是接地方式的復(fù)雜多樣性，即結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件約束部位不在同一個(gè)水平面上，其常見(jiàn)的接地方式主要有：吊腳、掉層、附崖、連崖等，如下圖所示，或多種形式的組合并用。

圖1 吊腳結(jié)構(gòu)

圖2 掉層結(jié)構(gòu)

圖3 附崖結(jié)構(gòu)

圖4 連崖結(jié)構(gòu)

2 山地建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)特殊問(wèn)題

本文主要從概念設(shè)計(jì)和抗震計(jì)算兩個(gè)方面探討山地建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的特殊性。

2.1 概念設(shè)計(jì)特殊問(wèn)題

由于山地建筑結(jié)構(gòu)接地方式的復(fù)雜性，建筑高度、高寬比、扭轉(zhuǎn)位移比、承載力比和剛度比等概念設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，對(duì)其存在一定的不適用性和特殊性。

復(fù)雜的接地方式會(huì)影響山地結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和抗震性能，如掉層結(jié)構(gòu)一般在上接地層接地部分率先屈服[1]，吊腳結(jié)構(gòu)不等高柱形成的架空層易產(chǎn)生短柱，應(yīng)從概念設(shè)計(jì)和抗震措施角度出發(fā)，盡量避免或減小短柱及上剛下柔的軟弱層對(duì)整體結(jié)構(gòu)的不利影響。

2.1.1 建筑高度判定問(wèn)題

建筑高度的取值關(guān)系到不同材料、不同結(jié)構(gòu)形式的適用性和抗震等級(jí)的選取問(wèn)題，是關(guān)乎結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)。參照重慶住宅規(guī)范，山地建筑的建筑高度一般取較低一側(cè)的室外地面到主要屋面的高度，且不大于豎向構(gòu)件（含上部豎向轉(zhuǎn)換構(gòu)件）的真實(shí)高度。

2.1.2 指標(biāo)適用性特殊問(wèn)題

掉層結(jié)構(gòu)一般屬于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，現(xiàn)行規(guī)范中控制豎向不規(guī)則的指標(biāo)——層間受剪承載力比和層剛度比并不適用于掉層部分及上接地層，但對(duì)接地形式影響較小的二層及以上結(jié)構(gòu)，受力性能仍類似于普通平地結(jié)構(gòu)，仍需滿足規(guī)范的相關(guān)要求。

連崖結(jié)構(gòu)由于接地方式的特殊性，剪重比的統(tǒng)計(jì)方法不同于普通懸臂高層建筑。剪重比又稱剪力系數(shù)，指水平地震作用的樓層剪力與重力荷載代表值之比，而各樓層的重力荷載代表值是引起連崖結(jié)構(gòu)地震剪力的原因，且地震剪力向坡頂和坡底兩端支座傳遞。因此，連崖結(jié)構(gòu)的剪重比是否滿足規(guī)范要求，可通過(guò)計(jì)算坡底和坡頂兩支座點(diǎn)的樓層剪力標(biāo)準(zhǔn)值之和，及其間各樓層重力荷載代表值之和的λmin倍，并取兩者的比值來(lái)判斷[2]，若比值大于1，則剪重比滿足規(guī)范要求。其中λmin為樓層最小地震剪力系數(shù)，取值見(jiàn)《抗規(guī)》表5.2.5，對(duì)于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的薄弱層，尚應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)。

2.1.3 嵌固端的特殊性問(wèn)題

山地建筑結(jié)構(gòu)一般取各接地端為嵌固端，嵌固端通常不在同一水平面上，但也不盡然，如掉層結(jié)構(gòu)上接地端以下掉一層的側(cè)向剛度不小于相應(yīng)范圍上接地端以上一層側(cè)向剛度的2倍時(shí)，應(yīng)盡量選擇上接地端樓蓋或掉層地下室頂板作為嵌固端，可有效減小房屋計(jì)算高度和設(shè)計(jì)難度，且經(jīng)濟(jì)效益顯著，嵌固端以上結(jié)構(gòu)可類似按普通平地建筑設(shè)計(jì)，并適用平地結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)控制指標(biāo)。

嵌固端可以有多個(gè)，如連崖結(jié)構(gòu)，頂部和底部均和巖石山坡基礎(chǔ)相連，可將嵌固層設(shè)在結(jié)構(gòu)較低一側(cè)基礎(chǔ)頂和連崖處，計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為下部嵌固端、上部簡(jiǎn)支的兩點(diǎn)支承方式，上支座作為不動(dòng)鉸支座，可有效減小連崖結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。

由于場(chǎng)地條件多變，山地建筑的嵌固端選取應(yīng)針對(duì)具體項(xiàng)目的實(shí)際情況具體分析，進(jìn)行方案優(yōu)選，使結(jié)構(gòu)概念、受力清晰且經(jīng)濟(jì)合理。

2.1.4 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算問(wèn)題

在風(fēng)荷載或水平地震作用下，山地建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，實(shí)質(zhì)是控制重力荷載產(chǎn)生的二階效應(yīng)不致過(guò)大，普通懸臂梁形式的平地建筑主要是通過(guò)剛重比驗(yàn)算來(lái)控制其等效側(cè)向剛度的。由于接地方式的復(fù)雜性，此方法并不一定完全適用于山地建筑。如連崖結(jié)構(gòu)的在水平地震作用下的變形形態(tài)屬于剪切型，其整體穩(wěn)定性驗(yàn)算就不能簡(jiǎn)單地套用規(guī)范中關(guān)于剛重比的公式，而需要通過(guò)建立如下特征方程[2]，以特征值屈曲分析來(lái)驗(yàn)算。

其中符號(hào)說(shuō)明及驗(yàn)算方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

2.2 地震作用計(jì)算問(wèn)題

現(xiàn)行規(guī)范中的抗震分析方法是基于懸臂梁結(jié)構(gòu)形式，且各嵌固端輸入相同地震激勵(lì)的前提下進(jìn)行的，主要為反應(yīng)譜法和單點(diǎn)地震時(shí)程分析法。但山地建筑結(jié)構(gòu)由于接地方式復(fù)雜多樣，基礎(chǔ)各接地點(diǎn)間有高差，并受局部地形、地質(zhì)影響明顯，地震動(dòng)輸入情況較為復(fù)雜特殊，有時(shí)無(wú)法直接采用反應(yīng)譜法計(jì)算地震作用。如文獻(xiàn)[3]貴陽(yáng)某山地建筑的基底嵌固于坡底，第8和9跨層轉(zhuǎn)換梁嵌固于60m高的山坡頂端，抗震計(jì)算采用了在坡底和坡頂轉(zhuǎn)換部位施加多點(diǎn)地震激勵(lì)的方法。按《抗規(guī)》第4.1.8條規(guī)定，坡頂支承處的地震激勵(lì)要考慮局部突出地形對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的放大作用，另外尚應(yīng)估算山坡自身的動(dòng)力特性對(duì)于地震波傳遞和上部結(jié)構(gòu)的影響[1]。

對(duì)巖質(zhì)邊坡的多點(diǎn)地震激勵(lì)輸入，由于基巖的剛度較大，經(jīng)評(píng)估分析，坡頂?shù)牡卣鸺铀俣确逯递^坡底放大較多，而位移時(shí)程則基本相同，因此，進(jìn)行地震時(shí)程分析時(shí)，坡頂和坡底的地震激勵(lì)可以輸入有幅值差但無(wú)相對(duì)差的地震加速度時(shí)程波進(jìn)行地震作用分析。但多點(diǎn)地震激勵(lì)時(shí)程分析法的實(shí)際操作會(huì)遇到很大困難，有時(shí)需進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算。

3 山地建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)特殊問(wèn)題

山地地基一般呈兩面性：①基巖承載力高、穩(wěn)定性好，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)化基礎(chǔ)形式，充分利用巖石承載力高的特性，合理降低基礎(chǔ)造價(jià)；②高邊坡、深填方等問(wèn)題是山地建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和難點(diǎn)。鑒于此，并考慮到大型機(jī)械施工受限等特點(diǎn)，山地建筑通常采用的經(jīng)濟(jì)且合理的基礎(chǔ)形式有：天然基礎(chǔ)、人工挖孔墩（樁）基礎(chǔ)、沖孔灌注樁基礎(chǔ)。天然基礎(chǔ)應(yīng)考慮相鄰基礎(chǔ)的高差，宜做到高差/凈距＜2.0（強(qiáng)風(fēng)化1.5、中風(fēng)化1.0），滿足穩(wěn)定性要求，必要時(shí)可采用毛石混凝土回填、分臺(tái)開(kāi)挖等方式處理。當(dāng)持力層較深，并需要穿越較厚的巖土層時(shí)，可采用沖孔灌注樁基礎(chǔ)。

關(guān)于山（坡）地建筑的基礎(chǔ)埋深，巖石地基上高層建筑基礎(chǔ)埋深可不用滿足1/15和1/18建筑高度的要求，但應(yīng)滿足抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性要求，當(dāng)自身抗滑移不滿足時(shí)，可采取逆坡、抗剪鍵或錨桿（索）等措施。而對(duì)土質(zhì)地基仍然要滿足基礎(chǔ)埋置深度的要求。

山（坡）地建筑的基礎(chǔ)選型和持力層選取問(wèn)題要比平地建筑復(fù)雜很多，通常同一結(jié)構(gòu)單元宜采用相同的基礎(chǔ)形式，但巖質(zhì)邊坡可考慮采用天然基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)并用的組合形式，一般也可達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效果，且由于基巖剛度大，沉降一般都能滿足要求。規(guī)范[4]第4.3.1條規(guī)定：同一結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基上。但由于山（坡）地區(qū)巖層起伏較大、分布復(fù)雜，經(jīng)沉降分析評(píng)估，必要時(shí)也可選擇兩種或多種不同巖、土層作為基礎(chǔ)持力層[5]。另外，當(dāng)天然基礎(chǔ)不可避免地部分落在土層、部分落在巖層時(shí)，通常可采用的處理方法有：①采用褥墊層對(duì)與巖石表面進(jìn)行處理；②梁（拱）板跨越；③采用天然基礎(chǔ)與墩基礎(chǔ)相結(jié)合的形式．將持力層均引至基巖上；④設(shè)沉降縫。并要評(píng)估不均勻沉降的大小和不利影響，考慮加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)剛度或設(shè)置基礎(chǔ)梁等措施。

4 支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特殊問(wèn)題

山坡地區(qū)支擋結(jié)構(gòu)一般有兩種設(shè)計(jì)思路：脫開(kāi)和合并。脫開(kāi)就是將支擋結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)脫開(kāi)分別設(shè)計(jì)，此方法受力清晰明確，相互間無(wú)不利影響，且利于建筑在支擋側(cè)增開(kāi)窗井，改善通風(fēng)采光條件，防水防潮。當(dāng)山地建筑的地下室各邊填埋深度相差較大時(shí)，《抗規(guī)》第6.1.14條的條文說(shuō)明也推薦單獨(dú)設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)是會(huì)增加巖石土方開(kāi)挖量，工程造價(jià)相對(duì)較高，施工工期較長(zhǎng)。

合并即結(jié)合主體結(jié)構(gòu)布置擋土墻，將擋土墻和地下室外墻“兩墻合一”，既可減少工程造價(jià)、縮短施工工期，又可增大空間面積。缺點(diǎn)是受力不清晰，應(yīng)考慮主體結(jié)構(gòu)、支擋結(jié)構(gòu)及巖土的共同作用，支擋結(jié)構(gòu)也往往會(huì)造成剛度突變、位移比增大、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，對(duì)抗震不利。另外，擋土墻內(nèi)側(cè)一般為地下室內(nèi)空間，不能設(shè)置泄水孔，但可以通過(guò)在擋墻背面底部和中部設(shè)置盲溝進(jìn)行排水。

脫開(kāi)設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮支擋結(jié)構(gòu)的施工空間對(duì)主體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的影響，擋土墻施工需要在后側(cè)超開(kāi)挖，預(yù)留支模和操作空間，此空間會(huì)造成周圍土體擾動(dòng)或持力層缺失，擋土墻基礎(chǔ)也可能會(huì)與主體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)碰撞沖突，因此，應(yīng)盡可能減少超開(kāi)挖，并采用毛石混凝土局部換填或?qū)⒅黧w結(jié)構(gòu)天然基礎(chǔ)分臺(tái)落至持力層上等避讓措施。

山地建筑的高邊坡意味著高成本，但高填方或大高差并不意味著一定要設(shè)置高擋墻，方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合場(chǎng)地地勢(shì)、地質(zhì)條件，以及與建筑的平面關(guān)系，可采用放坡+矮擋墻、網(wǎng)格梁+矮擋墻或多級(jí)擋土墻的等組合形式，優(yōu)化支擋結(jié)構(gòu)，以降低工程造價(jià)。

5 山地建筑設(shè)計(jì)對(duì)施工的特殊要求

5.1 設(shè)計(jì)對(duì)基礎(chǔ)施工的特殊要求

山地建筑天然基礎(chǔ)施工時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)實(shí)際地質(zhì)條件與詳勘不一致的情況，因此，進(jìn)行施工勘察就顯得十分必要，應(yīng)對(duì)各個(gè)樁位或獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行鉆探測(cè)試，以期探明基底下持力層實(shí)際情況，避免出現(xiàn)不良地質(zhì)。當(dāng)基礎(chǔ)基底開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，卻未到持力層或存在不良地質(zhì)情況時(shí)，一般有以下處理方法：①降低基底標(biāo)高至持力層上；②對(duì)基底下土層采用毛石混凝土、級(jí)配砂石等置換處理；③持力層稍深時(shí)，可同時(shí)采用方法①和②；④采用墩基礎(chǔ)，將基底引至持力層。

吊腳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)施工時(shí)，常會(huì)發(fā)現(xiàn)直接把工程樁伸出地面與框架柱混用，但由于樁基的抗彎和抗剪承載力都較低，露出地面的樁身很容易破壞，因此設(shè)計(jì)和施工時(shí)均應(yīng)避免用樁替代框架柱。

5.2 施工工序的影響

山地建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)重視施工工序的影響，筆者在參建的某山地項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，二級(jí)高邊坡?lián)鯄Φ氖┕すば蚺c設(shè)計(jì)要求不符導(dǎo)致大量錨頭脫落、錨索斷裂的情況，主要原因?yàn)椋汉笈艠秹筮€未填土或壓實(shí)錨索已錨固，主要影響是錨索錨固后，墻后填土難以采用大型機(jī)械壓實(shí)，壓實(shí)度很難滿足設(shè)計(jì)要求，將導(dǎo)致后期沉降過(guò)大，容易剪斷錨索。

6 結(jié) 論

山坡地區(qū)地質(zhì)復(fù)雜多樣、山勢(shì)起伏多變、持力層埋藏深淺不一，均造成了山地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度增大，設(shè)計(jì)者應(yīng)充分了解和評(píng)估項(xiàng)目的實(shí)際地質(zhì)山勢(shì)對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，做好應(yīng)對(duì)措施，確保山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全、經(jīng)濟(jì)、合理。