山地建筑結(jié)構(gòu)特殊問(wèn)題與研究進(jìn)展核心探尋

孫家興 肖剛 高智 梁谷平 劉毅

中國(guó)建筑第五工程局有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410000

1 山地建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提是了解山地建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，明確山地與平原等地區(qū)的區(qū)別之處，進(jìn)而才能夠結(jié)合實(shí)際山地特點(diǎn)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

平原地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)都是嵌固在同一水平面上，建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算中可將其簡(jiǎn)化為同一水平面的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)等知識(shí)進(jìn)行受力分析與結(jié)構(gòu)計(jì)算及其設(shè)計(jì)。山地結(jié)構(gòu)因?yàn)榛A(chǔ)不處于同一平面，即建筑結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)嵌固端處于不同高度范圍的地基內(nèi)，因而受力分析中不能簡(jiǎn)化為同一個(gè)平面。山地中建筑與地面之間有著特殊的位置關(guān)系，這種位置關(guān)系直觀表現(xiàn)為需要修建區(qū)域的地形會(huì)表現(xiàn)出忽高忽低，山地建筑結(jié)構(gòu)必須要克服不利地形的影響，從而才能夠保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)固性。山地建筑最明顯的特點(diǎn)就是基礎(chǔ)嵌固具有不等高，造成接地形式存在各種不同[1]。

按照理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)等相關(guān)學(xué)科知識(shí)，基礎(chǔ)嵌固在不等高的情況下，結(jié)構(gòu)剛度在水平方向與垂直方向的分布具有不均勻性，水平方向與垂直方向受力不均勻進(jìn)一步對(duì)建筑結(jié)構(gòu)提出來(lái)更高要求，即結(jié)構(gòu)的受力、結(jié)構(gòu)變形都相對(duì)復(fù)雜，無(wú)法直接按照常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行力學(xué)分析。山地建筑結(jié)構(gòu)中還會(huì)涉及順坡方向與逆坡方向。順坡方向，山地自身結(jié)果使得建筑結(jié)構(gòu)在受力分析中不能進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，如果仍舊按照簡(jiǎn)化方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，實(shí)際整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的受力情況與理論性計(jì)算結(jié)果具有較大的偏差性，這種情況下必然會(huì)影響整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的安全性[2]。

有學(xué)者對(duì)山地區(qū)域內(nèi)的掉層結(jié)構(gòu)采取“等代柱方法”，使用等截面、不等高柱代替掉層部分與上接地層中的非接地部分，經(jīng)過(guò)計(jì)算與分析，整個(gè)建筑剛度因?yàn)榈魧硬糠譄o(wú)水平作用，剛度計(jì)算結(jié)果與實(shí)際地震荷載情況差異較大，即通過(guò)該簡(jiǎn)化方法計(jì)算出的結(jié)構(gòu)受力不能滿足建筑抗震設(shè)計(jì)要求，如果山地發(fā)生地震，很可能會(huì)發(fā)生建筑結(jié)構(gòu)的破壞，并威脅人民群眾的生命安全。

山地建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除了考慮地形特點(diǎn)外，水文地質(zhì)條件也是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須要考慮大，綜合大多數(shù)山地建筑結(jié)構(gòu)類型，吊腳式、掉層、附崖是常用類型，尤其是吊腳式、掉層結(jié)構(gòu)較特殊。

所謂的掉層結(jié)構(gòu)是在同一結(jié)構(gòu)單元內(nèi)存在不少于2個(gè)且不在同一平面的嵌固端，實(shí)現(xiàn)對(duì)山地不同高差坡度內(nèi)的空間利用，掉層結(jié)構(gòu)中有連接式，也有脫開式，如果結(jié)構(gòu)與邊坡之間沒(méi)有連接關(guān)系，此時(shí)則為脫開式，需要在邊坡設(shè)置獨(dú)立的支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)嵌固接地的上端與下端；連接式則需要通過(guò)邊坡?lián)鯄右赃B接，使其形成一個(gè)整體。吊腳式結(jié)構(gòu)則需要結(jié)合山地特點(diǎn)，利用高度不同的柱使其形成一個(gè)平臺(tái)，然后在平臺(tái)上完成建筑施工與使用，視情況可采取半架空，也可采取全架空。當(dāng)然如果山地整體地勢(shì)較復(fù)雜，還視情況采取吊腳式與掉層式相結(jié)合，便于適應(yīng)復(fù)雜的山地地形環(huán)境需要。

2 山地建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用研究進(jìn)展

通過(guò)對(duì)山地建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，可見(jiàn)山地建筑在修建與設(shè)計(jì)中會(huì)受到地形的明顯限制，因而需要視情況合理選擇建筑結(jié)構(gòu)的嵌固部位。分析現(xiàn)有山地建筑結(jié)構(gòu)類型，如果山地結(jié)構(gòu)帶有地下室，上部為塔樓結(jié)構(gòu)類型，此時(shí)結(jié)構(gòu)嵌固過(guò)程中需要保證不同角度都有土層，便于為結(jié)構(gòu)嵌固創(chuàng)造條件；如果帶有地下室，但是土體僅存在一個(gè)面或者兩個(gè)面，此時(shí)的結(jié)果嵌固部位不能選擇地下室頂板，而需要獨(dú)立設(shè)置支擋，保證結(jié)構(gòu)主體與該面土體脫開，利用支擋承受建筑上部荷載受力，避免地下室頂板直接受力而影響到整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。大多數(shù)的吊腳式結(jié)構(gòu)、掉層結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)中，需要充分考慮底部嵌固的不等高特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)高度計(jì)算中需要結(jié)合嵌固情況做出分析，一般吊腳結(jié)構(gòu)選擇較低的接地端作為起算點(diǎn)，這也是基于建筑結(jié)構(gòu)安全性考慮；豎向構(gòu)件嵌固在上接地端時(shí)，掉層結(jié)構(gòu)可從上接地端算起；不等高嵌固在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，需要考慮到首層平面質(zhì)量中心與剛心不是一個(gè)點(diǎn)，同時(shí)上層結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度高于底部結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度。山地建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)與計(jì)算中，盡可能結(jié)合原有地形特點(diǎn)，使其呈現(xiàn)出規(guī)則性，便于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，盡可能保證理論計(jì)算與實(shí)際受力的一致性，提高山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性與安全性，保證不同區(qū)域的嵌固效果[3]。

3 山地建筑結(jié)構(gòu)特殊問(wèn)題研究進(jìn)展

3.1 山地地形與地基問(wèn)題的研究進(jìn)展

山地建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)與施工中首先需要考慮的是地基問(wèn)題，這是因?yàn)榛A(chǔ)將建筑荷載最終傳遞給地基，不同的地基類型對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、上部建筑結(jié)構(gòu)也會(huì)不同。部分研究指出，山地建筑原來(lái)處于受力平衡狀態(tài)，而通過(guò)山地建筑結(jié)構(gòu)的施工，原有山地結(jié)構(gòu)受力會(huì)發(fā)生改變，尤其是在邊坡方面會(huì)產(chǎn)生較大影響。山地建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算以及設(shè)計(jì)中，需要充分考慮邊坡穩(wěn)定性，隨著建筑結(jié)構(gòu)的施工，建筑荷載在不斷增加，其對(duì)山地所產(chǎn)生的荷載，尤其是邊坡作用力也在不斷增加，因而在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要合理確定安全系數(shù)，保證邊坡的穩(wěn)定性。與常規(guī)建筑相比，山地建筑中因?yàn)樾藿ńㄖ鴮?duì)邊坡產(chǎn)生的影響更大，邊坡可能在地震作用下、建筑結(jié)構(gòu)豎向分力作用下發(fā)生破壞。也有研究指出，山地建筑結(jié)構(gòu)中涉及多種力的作用，如建筑自身的荷載作用、地下水所產(chǎn)生的力學(xué)作用、地震力、地應(yīng)力等，建筑荷載對(duì)整個(gè)建筑地基所產(chǎn)生的力，尤其是對(duì)邊坡所產(chǎn)生的力學(xué)效果不能忽視。

山地中既有土體邊坡，也有巖石邊坡，按照土體力學(xué)知識(shí)，土體邊坡自身穩(wěn)定性較巖體邊坡穩(wěn)定性更差。建筑結(jié)構(gòu)中使用的樁基對(duì)巖質(zhì)或土質(zhì)邊坡都會(huì)產(chǎn)生影響，而巖土或土體自然也會(huì)對(duì)使用的支擋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向壓力，靜力作用條件下，建筑樁基影響是無(wú)外傾結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡錨桿支擋設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的，如果是在動(dòng)力作用下，建筑樁基處于土質(zhì)邊坡內(nèi)，此時(shí)受力會(huì)傳遞，并使動(dòng)力延伸到支擋結(jié)構(gòu)中。部分研究對(duì)坡地上多層建筑施工條件下的邊坡穩(wěn)定性予以分析，并進(jìn)行針對(duì)性的擋土墻設(shè)計(jì)、做好山地建筑施工前的不良地基處理，研究認(rèn)為山地地形、地基、基礎(chǔ)應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中需要全面協(xié)調(diào)，充分考慮初期階段以及整個(gè)建筑施工完成后的荷載變化，不同邊坡受力變化情況。針對(duì)部分山地建筑結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中，可針對(duì)同一結(jié)構(gòu)單元選擇不同的基礎(chǔ)形式，以最佳的基礎(chǔ)形式適應(yīng)不同地形條件，經(jīng)過(guò)理論與實(shí)踐證實(shí)了混合結(jié)構(gòu)在同一山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用中的可行性。

3.2 荷載與作用研究進(jìn)展

山地建筑結(jié)構(gòu)既是荷載的產(chǎn)生原因之一，同時(shí)也是主要的承擔(dān)荷載構(gòu)件。與普通建筑相比，山地建筑結(jié)構(gòu)所承受的地震荷載、風(fēng)荷載等都有明顯不同，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要充分考慮。

從風(fēng)荷載方面分析，山地中風(fēng)荷載對(duì)建筑有加速作用，有學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)，迎風(fēng)坡面、背風(fēng)坡面受到風(fēng)荷載的影響較大。不同山地建筑因?yàn)樯降氐匦尾煌?、高度差異等影響，不同建筑受到風(fēng)荷載面積有所不同，此時(shí)在計(jì)算風(fēng)荷載過(guò)程中需要考慮到風(fēng)荷載作用點(diǎn)的不同，即風(fēng)荷載起算點(diǎn)會(huì)因?yàn)槭茱L(fēng)面不同而不同，計(jì)算中需要綜合性考慮當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速大小等情況，考慮風(fēng)荷載對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的不利影響。

從地震荷載方面分析，山地相對(duì)于平原地區(qū)具有高突出特點(diǎn)，而在地震作用下，突出部位會(huì)無(wú)形中放大地震作用力，即在相同的地震作用下，突出地面的山體區(qū)域更易發(fā)生破壞，從2008年5.12汶川大地震后建筑破壞方面可驗(yàn)證這一點(diǎn)。根據(jù)部分學(xué)者的研究分析，山地建筑結(jié)構(gòu)中坡頂、斜坡段所受到的地震荷載作用力較大，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不能忽視。結(jié)合現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求，針對(duì)局部突出地形并存在地震影響的情況，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要通過(guò)放大系數(shù)保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，不過(guò)關(guān)于山地建筑結(jié)構(gòu)中斜坡段區(qū)域內(nèi)的地震放的系數(shù)并未有明確要求。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者通過(guò)二維空間模擬與計(jì)算，分析不同坡度、不同坡高情況下地震作用的影響，通過(guò)反復(fù)性驗(yàn)算與分析，給出巖質(zhì)斜坡段上水平向、豎向在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中地震動(dòng)的放大系數(shù)。山坡地形中，地震力作用下，坡上所產(chǎn)生的地震荷載作用與坡下地表地震動(dòng)所產(chǎn)生的荷載作用有明顯不同。坡高以及土質(zhì)自身?xiàng)l件會(huì)對(duì)坡上地表地震動(dòng)常見(jiàn)參數(shù)產(chǎn)生影響，包括振幅、反應(yīng)譜卓越周期等；如果是非巖質(zhì)地基，針對(duì)此類山地建筑結(jié)構(gòu)，如果約束相差高度較大，同時(shí)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取剛性地基模型，此時(shí)地震荷載還需要考慮不同結(jié)構(gòu)嵌固端的影響，嵌固端會(huì)對(duì)地震作用產(chǎn)生影響，使得該區(qū)域內(nèi)的建筑結(jié)構(gòu)安全性變差，總之，地震荷載作用過(guò)程中需要全面考慮山地土體或者巖體類型，同時(shí)明確建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的嵌固類型等，多角度考慮地震荷載作用的影響。

3.3 山地整體的穩(wěn)定性研究進(jìn)展

山地建筑結(jié)構(gòu)在施工中需要以山地為基礎(chǔ)，而部分山地本身存在滑坡風(fēng)險(xiǎn)，這種情況下，需要綜合評(píng)估山地本身滑坡可能性。如果山地本身容易發(fā)生滑坡，在該區(qū)域修建的建筑結(jié)構(gòu)必然安全性也會(huì)受到影響。山地建筑結(jié)構(gòu)同邊坡穩(wěn)定性密不可分，兩者互相影響，部分研究指出結(jié)構(gòu)底部與建筑基礎(chǔ)部位很容易因?yàn)轱L(fēng)荷載、地震荷載等作用，出現(xiàn)邊坡破壞，造成山地局部失穩(wěn)。從這一方面考慮，在山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要從建筑自身恒定荷載、土體本身壓力、風(fēng)荷載、地震荷載、施工影響等方面綜合分析，保障山地中邊坡本身的穩(wěn)定以及建筑結(jié)構(gòu)施工及其建筑投入使用階段的穩(wěn)定性，多種荷載的組合形式以及其中對(duì)部分荷載放大系數(shù)的選擇都是要考慮的重點(diǎn)。

3.4 山地建筑性能指標(biāo)控制研究進(jìn)展

山地建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要通過(guò)多種指標(biāo)的綜合控制，使其滿足施工與使用要求，其中抗震設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。如果山地建筑結(jié)構(gòu)選擇的是掉層結(jié)構(gòu)，此時(shí)需要注重軟弱層分析，根據(jù)軟弱層位置以及影響情況，加強(qiáng)對(duì)軟弱層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善軟弱層區(qū)域的受力狀態(tài)。山地建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能方面可選擇不同的剛度控制方案，按照部分學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果，掉層部分與等效底層的剛度比會(huì)影響結(jié)構(gòu)的軟弱層，而采用等效底層與相鄰上層的剛度比同樣也會(huì)影響薄弱層位置。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著人們對(duì)于建筑施工以及建筑安全要求的不斷提高，建筑行業(yè)對(duì)山地建筑結(jié)構(gòu)研究對(duì)指導(dǎo)山地建筑施工與建筑設(shè)計(jì)有著重要價(jià)值，而在實(shí)際山地建筑結(jié)構(gòu)研究中仍然不可避免地存在各種各樣的問(wèn)題，要求不同部門加大對(duì)山地建筑結(jié)構(gòu)的研究，不斷對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，保證建筑能符合自身要求，并最大限度適應(yīng)不同地形條件，為山地區(qū)域不同建筑施工發(fā)展創(chuàng)造有利條件。