山地掉層吊腳建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

戢志鋒

中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司 湖北 武漢 430071

1 工程概況

某度假建筑位于大別山主峰風(fēng)景區(qū)度假村內(nèi)，總建筑面積8500m2；地下2層（地下一層、夾層），層高3.9m，地下室周邊無(wú)覆土，底層以下局部架空，架空層層高5.4m。地上7層，層高3.3m，大屋面標(biāo)高23.100m，本建筑通過(guò)設(shè)置防震縫分隔為A、B及連廊共四個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，單元A自室外地面起算的建筑高度34.8m，為A級(jí)高度高層建筑，單元B自室外地面起算的建筑高度19.3m，為多層建筑。單元A、單元B及連廊均采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。連廊為建筑屋面與市政道路間連接通道。

本工程于2015年12月開(kāi)始設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)尚無(wú)《山地建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》可供參考，設(shè)計(jì)中參考2013年重慶市建設(shè)委員會(huì)發(fā)布的《重慶市住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DBJ50***，征求意見(jiàn)稿）。

因本工程場(chǎng)地為山地，建筑依山就勢(shì)而建，造成單元A框架柱在不同標(biāo)高嵌固，形成掉層或吊腳結(jié)構(gòu)。

單元A除遵循普通高層建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定外，還結(jié)合《建筑抗震設(shè)計(jì)》（GB50011-2010）、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）中與山地建筑相關(guān)的規(guī)定，并參考《重慶市住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DBJ50***，征求意見(jiàn)稿）中與山地建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)山地建筑結(jié)構(gòu)不等高嵌固等具體問(wèn)題，采取特殊的結(jié)構(gòu)措施，確保結(jié)構(gòu)安全。具體詳見(jiàn)下文。

2 地基基礎(chǔ)及邊坡穩(wěn)定

根據(jù)巖土勘察單位二〇一五年六月提供的《場(chǎng)地巖土工程勘察報(bào)告書(shū)（詳細(xì)勘察階段）》，應(yīng)提供邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和防治方案建議，邊坡工程應(yīng)另行設(shè)計(jì)。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010第3.3.5條，山區(qū)建筑的場(chǎng)地和地基基礎(chǔ)應(yīng)符合下列要求[1]：

邊坡設(shè)計(jì)應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB 50330的要求；其穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，有關(guān)的摩擦角應(yīng)按設(shè)防烈度的高低相應(yīng)修正。

邊坡附近的建筑基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行抗震穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。建筑基礎(chǔ)與土質(zhì)、強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡的邊緣應(yīng)留有足夠的距離，其值應(yīng)根據(jù)設(shè)防烈度的高低確定，并采取措施避免地震時(shí)地基基礎(chǔ)破壞。

針對(duì)上述規(guī)定，邊坡開(kāi)挖和地基基礎(chǔ)施工前，應(yīng)根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告要求對(duì)邊坡進(jìn)行治理，邊坡施工應(yīng)保證邊坡穩(wěn)定，在確保邊坡穩(wěn)定安全的前提下方可進(jìn)行基礎(chǔ)施工。

結(jié)合場(chǎng)地條件，本工程基礎(chǔ)部分采用人工挖孔墩基礎(chǔ)，部分采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。巖質(zhì)邊坡坡度較大時(shí)，為減小開(kāi)挖范圍，減小基坑開(kāi)挖對(duì)邊坡的影響，采用人工挖孔墩基礎(chǔ)；地勢(shì)平坦且持力層埋深較淺時(shí)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化片麻巖或微風(fēng)化片麻巖，墩基承臺(tái)與獨(dú)立基礎(chǔ)間設(shè)置基礎(chǔ)聯(lián)系梁，加強(qiáng)基礎(chǔ)整體性。

3 地震作用

本工程場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，建筑場(chǎng)地類別包括Ⅰ0類、Ⅰ1類及Ⅱ類，設(shè)計(jì)時(shí)按Ⅱ類場(chǎng)地計(jì)算地震作用。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010第4.1.8條：在保證建筑在地震作用下的穩(wěn)定性外，尚應(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，本工程水平地震影響系數(shù)最大值乘以增大系數(shù)1.4[2]。

4 風(fēng)荷載

本工程場(chǎng)地50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓0.30 kN/m2，10年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓0.20 kN/m2。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》8.2.2條,考慮地形條件的修正，設(shè)計(jì)時(shí)地形條件按山峰考慮，風(fēng)壓高度變化系數(shù)修正系數(shù)取值η=（2.76+1.0）/2=1.88，計(jì)算時(shí)基本風(fēng)壓輸入值為0.564，舒適度驗(yàn)算基本風(fēng)壓輸入值為0.376。計(jì)算時(shí)風(fēng)荷載高度起算點(diǎn)取為建筑較低一側(cè)的室外地面[3]。

5 抗震等級(jí)

《重慶市住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（征求意見(jiàn)稿）5.1.7條規(guī)定：山地建筑結(jié)構(gòu)的上接地柱、吊腳及掉層部分構(gòu)件的抗震等級(jí)提高一級(jí)。本工程設(shè)計(jì)時(shí)參考上述規(guī)定，將第五結(jié)構(gòu)層及其下部框架抗震等級(jí)提高至二級(jí)。

6 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本工程部分樓層樓板局部不連續(xù)，為考慮其不利影響，采用彈性膜及剛性板計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

7 掉層及吊腳部分樓層側(cè)向剛度比及層間受剪承載力控制

《重慶市住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（征求意見(jiàn)稿）5.2.2規(guī)定：山地建筑結(jié)構(gòu)樓層的側(cè)向剛度，除滿足現(xiàn)行相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定外，還應(yīng)符合下列規(guī)定：

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，其值與上部若干層結(jié)構(gòu)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。

對(duì)掉層建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)驗(yàn)算上接地層及以下部分的等效側(cè)向剛度，其值與上部若干層結(jié)構(gòu)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。

《重慶市住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（征求意見(jiàn)稿）5.2.3規(guī)定：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。

7.1 底層以下吊腳部分等效側(cè)向剛度及層間受剪承載力驗(yàn)算

本工程建筑底層樓面結(jié)構(gòu)標(biāo)高為-7.850，結(jié)合場(chǎng)地條件，內(nèi)側(cè)一排柱（K軸）在此標(biāo)高接地，其余柱接地標(biāo)高分別為-12.100（J軸）、-13.500。形成吊腳建筑結(jié)構(gòu)。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 3-2010附錄E.0.3條所示等效側(cè)向剛度比計(jì)算方法，采用ETABS進(jìn)行計(jì)算復(fù)核所得底層以下吊腳部分與第二結(jié)構(gòu)層等效側(cè)向剛度比：X向?yàn)?.27，Y向?yàn)?.85[4]。

ETABS計(jì)算結(jié)果表明，底層以下吊腳部分等效側(cè)向剛度滿足要求。

根據(jù)上述5.2.3條規(guī)定，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)件承載力之和，吊腳部分與上層相應(yīng)部分受剪承載力之比：X向?yàn)?.01，Y向?yàn)?.00。

ETABS計(jì)算結(jié)果表明表明，底層以下吊腳部分層間受剪承載力滿足要求。

7.2 掉層部分等效側(cè)向剛度及層間受剪承載力驗(yàn)算

本工程建筑第五結(jié)構(gòu)層新增一排上接地柱（M軸）。參考上述5.2.2條規(guī)定，應(yīng)驗(yàn)算五層及以下部分的等效側(cè)向剛度。參照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 3-2010附錄E.0.3條所示等效側(cè)向剛度比計(jì)算方法，采用SATWE進(jìn)行計(jì)算， X方向等效剛度比= 1.0798，Y方向等效剛度比= 1.0857，五層及以下部分等效側(cè)向剛度滿足要求。

根據(jù)上述5.2.3條規(guī)定，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)件承載力之和。因掉層（4層）上接地層層高相同，且掉層與其上部相應(yīng)部位豎向構(gòu)件截面尺寸、配筋、凈高等均無(wú)變化或變化較小，可滿足掉層層間受剪承載力不小于其上層相應(yīng)部位豎向構(gòu)件承載力之和的要求。

8 層間位移角

為準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)上接地層層間位移角并復(fù)核其是否滿足規(guī)范規(guī)定，分別讀取SATWE計(jì)算所得結(jié)構(gòu)在X、Y方向地震作用下（考慮雙向地震作用）的位移簡(jiǎn)圖，對(duì)上接地層（5層、7層）柱采用上端節(jié)點(diǎn)位移減去下端節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算其相應(yīng)層間位移，并用層間位移與相應(yīng)柱高度相比計(jì)算其層間位移角。經(jīng)計(jì)算，上接地層5層X(jué)向最大層間位移角為1/1760，Y向最大層間位移角為1/810；上接地層7層X(jué)向最大層間位移角為1/1015，Y向最大層間位移角為1/658。計(jì)算結(jié)果表明，上接地層層間位移角均小于規(guī)范1/550的限值，且層間位移角最大值所在節(jié)點(diǎn)處框架柱均為上接地柱。

9 扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

因柱底不等高嵌固，山地建筑存在較大的橫坡向（對(duì)本工程為X向）扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，應(yīng)合理控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比（包括樓層扭轉(zhuǎn)位移比、層間扭轉(zhuǎn)位移比）。

本工程SATWE分析計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)在上接地層表現(xiàn)尤為突出。 上接地層（5層、7層）在X+偶然偏心地震作用規(guī)定水平力下的樓層最大位移比分別為1.4、1.45，與普通樓層相比存在較為明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。上接地柱在水平荷載作用下承受的扭矩明顯大于其余框架柱。因此，因此設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)上接地柱加強(qiáng)配筋構(gòu)造，縱筋在計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上適當(dāng)放大，箍筋全高加密并確保最小體積配箍率不小于1.2%。

10 結(jié)束語(yǔ)

本工程存在掉層及吊腳，結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性及豎向規(guī)則性的判定是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要考慮的因素，通過(guò)等效側(cè)向剛度及層間受剪承載力驗(yàn)算以及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)計(jì)算，采取對(duì)掉層部分豎向構(gòu)件的加強(qiáng)的措施，很好地控制了結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，于2016年8月結(jié)構(gòu)封頂，結(jié)構(gòu)建成后沉降觀測(cè)結(jié)果等各項(xiàng)指標(biāo)良好，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的處理措施供山地建筑設(shè)計(jì)參考。