山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題探討及處理建議

柴迎春

懷化市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 湖南 懷化 418000

引言

近年來，隨著業(yè)主對居住環(huán)境提出越來越高的要求，城市郊區(qū)的山地及山區(qū)城市中涌現(xiàn)了大量與山地地形相適應(yīng)、與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)的山地建筑。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的底部豎向構(gòu)件的嵌固部位不在同一水平標(biāo)高上，且不能簡化為同一水標(biāo)高的結(jié)構(gòu)體系時(shí)，為了區(qū)別于一般平地結(jié)構(gòu)，我們把這種結(jié)構(gòu)體系定義為山地建筑結(jié)構(gòu)，與周邊山地地形相協(xié)調(diào)是山地建筑結(jié)構(gòu)的特色和顯著特征。由于山地建筑的底部嵌固端不在同一標(biāo)高，甚至底部的結(jié)構(gòu)平面尺寸與上部標(biāo)準(zhǔn)層也相差很大，這導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)形式異常復(fù)雜，常常同時(shí)具有豎向不規(guī)則性和平面的不規(guī)則性，這種結(jié)構(gòu)體系極易變成特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)體系，因此，山地建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的特殊性是一般平地結(jié)構(gòu)難以企及的[1]。

隨著越來越多實(shí)際工程的實(shí)踐及工程經(jīng)驗(yàn)的積累，設(shè)計(jì)工作者對山地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題之特殊性和復(fù)雜性有了一定認(rèn)識(shí)。文獻(xiàn)[2]對山地建筑的概念、計(jì)算和構(gòu)造等方面均提出了一些相應(yīng)的要求，但其全面性和具體可操作性方面還有待實(shí)際工程的檢驗(yàn)。本文就作者在山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中碰到的幾個(gè)問題談?wù)勛约旱目捶?，同時(shí)提出解決相關(guān)問題的建議。

1 山地建筑場地覆蓋層厚度的確定

山地建設(shè)場地的地形往往高低錯(cuò)落，起伏很大，場地平整時(shí)不可避免地存在高挖方、深填溝的現(xiàn)象。不管從平面分布考慮還是豎向分布考慮，同一建筑場地不同位置的工程地質(zhì)條件都相差很大，且地基的均勻性和密實(shí)度離散型也很大，這種地質(zhì)分布對結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)產(chǎn)生了不小的影響。規(guī)范規(guī)定，場地覆蓋層厚度是從建筑的室外地面到地面以下一定深度的底層厚度，這個(gè)“地面”起算點(diǎn)的位置直接決定了場地覆蓋層厚度的數(shù)值，對建筑場地的場地類別劃分及場地的特征周期確定產(chǎn)生了很大影響，有時(shí)按不同“地面”起算點(diǎn)確定的覆蓋層厚度劃分的場地類別完全不一樣。

出于安全考慮，建議按下列原則確定山地建筑的場地類別：

第一，當(dāng)建筑存在地下室時(shí)，場地的覆蓋層厚度應(yīng)采用房屋室外地坪的較高和較低的地面分別確定，取不利情況作為設(shè)計(jì)用覆蓋層厚度。第二，當(dāng)建筑存在地下室時(shí)，按下面兩種情況分別確定。①當(dāng)?shù)叵率彝鈮εc周邊巖土全面接觸時(shí)，場地覆蓋層厚度應(yīng)按建筑室外較高與較低地坪分別確定；②當(dāng)建筑地下室與周邊巖土完全分開時(shí)，場地的覆蓋層厚度按地下室開挖后的較高及較低嵌固端地面分別確定，取兩者的不利結(jié)果作為設(shè)計(jì)用覆蓋層厚度。對結(jié)構(gòu)的受力性能起控制作用，結(jié)構(gòu)計(jì)算高度可從上接地端算起。其他情況，應(yīng)取結(jié)構(gòu)下接地嵌固端或較低接地端為結(jié)構(gòu)計(jì)算高度的起算點(diǎn)。

2 山地建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算高度的確定

建筑結(jié)構(gòu)的高度判定對確定建筑是多層建筑還是高層建筑、確定建筑結(jié)構(gòu)最大適用高度以及結(jié)構(gòu)的抗震措施選取、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的選用等都有很大影響，因此，對結(jié)構(gòu)計(jì)算高度的確定是山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)，否則，后期的結(jié)構(gòu)定性和上機(jī)計(jì)算參數(shù)的選取將難以定量。建議山地建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)高度按下列原則確定：第一，當(dāng)結(jié)構(gòu)為掉層結(jié)構(gòu)，在多數(shù)豎向構(gòu)件嵌固于結(jié)構(gòu)上接地端時(shí)，結(jié)構(gòu)計(jì)算高度可從結(jié)構(gòu)上接地端算起，否則，為安全起見，應(yīng)從結(jié)構(gòu)的下接地端算起；第二，當(dāng)結(jié)構(gòu)為吊腳結(jié)構(gòu)，在多數(shù)豎向構(gòu)件嵌固于結(jié)構(gòu)上接地端時(shí)，結(jié)構(gòu)計(jì)算高度可從結(jié)構(gòu)上接地端算起，否則，為安全起見，應(yīng)從較低的接地端算起。

應(yīng)用上述原則時(shí)，有一個(gè)問題必須明確，就是如何理解“多數(shù)豎向構(gòu)件嵌固于結(jié)構(gòu)的上接地端”。為了方便設(shè)計(jì)，當(dāng)上接地部分的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度不小于本層結(jié)構(gòu)總抗側(cè)剛度的80%時(shí)，可認(rèn)為滿足“多數(shù)豎向抗側(cè)力構(gòu)件嵌固于結(jié)構(gòu)上接地端”的要求，可近似取上接地層的非接地構(gòu)件假定為完全嵌固時(shí)計(jì)算所得的接地構(gòu)件的剪力之和與本層所有豎向構(gòu)件的剪力之和的比值，作為側(cè)向抗側(cè)剛度比。在建筑邊坡穩(wěn)定、地基變形得到控制時(shí)，與結(jié)構(gòu)的上接地端相連部分的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度達(dá)到結(jié)構(gòu)上接地層的總側(cè)向剛度的80%以上，上接地端

3 山地建筑結(jié)構(gòu)可否兼做支擋結(jié)構(gòu)

當(dāng)山地結(jié)構(gòu)周邊的支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連為一體時(shí)，結(jié)構(gòu)的傳力途徑是不明確的，有條件時(shí)，山地建筑周邊的擋土墻宜采用獨(dú)立的支擋結(jié)構(gòu)，這樣結(jié)構(gòu)分析簡單明了，設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性易于把握。當(dāng)場地的抗震設(shè)防烈度不高（一般不大于7°）邊坡高度不是很大（土質(zhì)邊坡高度小于5m，巖質(zhì)邊坡高度小于8m），且建筑的主體結(jié)構(gòu)能夠較經(jīng)濟(jì)合理的抵抗巖土側(cè)向壓力時(shí)，主體結(jié)構(gòu)也可兼做邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)，此時(shí)應(yīng)考慮周邊巖土壓力對主體結(jié)構(gòu)的側(cè)向作用。進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)電算分析時(shí)，應(yīng)將支擋結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)的一部分參與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算且應(yīng)輸入巖土壓力，當(dāng)以上情況對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的治理措施。

巖土側(cè)壓力應(yīng)區(qū)分地質(zhì)情況分別按照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB50330中坡頂有重要建筑物基礎(chǔ)時(shí)的情況確定。其動(dòng)土壓力可按擬靜力法確定，其土壓力系數(shù)按下式確定：

式中：KE—有地震作用時(shí)墻背主動(dòng)土壓力；

Ka—無地震作用時(shí)墻背主動(dòng)土壓力；

k—水平地震作用系數(shù)，6°、7°0.10g（0.15g）、8°0.20g（0.30g）時(shí)取0.125、0.22（0.31）、0.4（0.51）。

山地建筑主體結(jié)構(gòu)兼做支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，還應(yīng)考慮山地結(jié)構(gòu)在地震作用下向邊坡運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的作用力。從設(shè)計(jì)實(shí)用上考慮，可取結(jié)構(gòu)所受的被動(dòng)巖土壓力、結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下支擋結(jié)構(gòu)所受彈性地震作用與靜止巖土壓力之和的較小值[3]。

4 山地建筑結(jié)構(gòu)地震作用的計(jì)算

山地結(jié)構(gòu)地震作用驗(yàn)算時(shí)，不能直接應(yīng)用抗震規(guī)范中的水平地震影響系數(shù)最大值進(jìn)行地震作用計(jì)算，而應(yīng)進(jìn)行一定的修正。在設(shè)計(jì)山地結(jié)構(gòu)時(shí)，首先應(yīng)參照項(xiàng)目工程地質(zhì)勘察報(bào)告有關(guān)建筑抗震地段劃分的內(nèi)容，確定場地的抗震地段類別，當(dāng)結(jié)構(gòu)位于抗震不利地段時(shí)，應(yīng)調(diào)整相關(guān)的地震動(dòng)參數(shù)?？拐鹨?guī)范指出，當(dāng)建筑位于條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘、非巖石和強(qiáng)風(fēng)化巖石的陡坡、河岸和邊坡邊緣等抗震不利地段時(shí)，需預(yù)估抗震不利地段對設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)產(chǎn)生的放大作用，其水平地震影響系數(shù)最大值在規(guī)定的基礎(chǔ)上應(yīng)乘以增大系數(shù)λ。其中，平臺(tái)段的放大系數(shù)下式（3）進(jìn)行計(jì)算：

λ為局部突出地形頂部地震影響系數(shù)的增大系數(shù)；α為場地局部突出地形的地震動(dòng)參數(shù)之增幅，ξ為地震動(dòng)參數(shù)附加調(diào)整系數(shù)。

斜坡段的水平地震動(dòng)增大系數(shù)依據(jù)平臺(tái)段的水平地震作用增大系數(shù)和坡底地震作用增大系數(shù)（取1.0）進(jìn)行插值確定。為方便使用，也可按表1查閱。

表1 斜坡段設(shè)計(jì)水平地震動(dòng)增大系數(shù)表

5 山地建筑的地下室有限土體滿足嵌固要求的條件

當(dāng)?shù)叵率乙粋?cè)位于邊坡邊緣時(shí)，為使地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端的有效性有足夠的保障，邊坡必須滿足以下要求：

嵌固層標(biāo)高處的土體（圖1）水平尺寸a應(yīng)大于1.0倍從嵌固層算起的地下室高度H（a＞1.0H），地下室底板標(biāo)高處的土體水平尺寸b應(yīng)大于1.5倍從嵌固層算起的地下室高度（b＞1.5H）。

圖1 有限土體嵌固示意

無論自然放坡或支擋邊坡，邊坡結(jié)構(gòu)均應(yīng)保證穩(wěn)定性及在罕遇地震作用下不破壞的性能要求。當(dāng)邊坡不滿足上述要求時(shí)，不宜按照全埋地下室考慮。

當(dāng)邊坡的有限土體接近本規(guī)定時(shí)，可考慮在邊坡一側(cè)的地下室內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量垂直于邊坡的鋼筋混凝土墻，以增大該方向的地下室剛度，應(yīng)加強(qiáng)嵌固層下塔樓相關(guān)范圍內(nèi)地下室剛度，嵌固端下一層與上一層側(cè)向剛度比不應(yīng)小于2。當(dāng)邊坡外側(cè)地面標(biāo)高低于地下室底面標(biāo)高時(shí)，應(yīng)從嚴(yán)要求，例如：要求a＞1.5H，b＞2.0H（b為地下室底面處外墻距邊坡的水平距離）。

6 基礎(chǔ)位于巖石邊坡上時(shí)，其地基承載力的確定

當(dāng)基礎(chǔ)置于巖石邊坡坡面上時(shí)，因地基在邊坡側(cè)的側(cè)阻力減小，巖體地基極限承載力也有所減小。為方便設(shè)計(jì)，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》DBJ50-047-2016中[4]規(guī)定： 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，對于無外傾結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)地基，可采用對平地巖質(zhì)地基承載力進(jìn)行折減的辦法考慮邊坡的不利影響，其地基承載力的折減系數(shù)根據(jù)基礎(chǔ)外邊緣與坡腳連線傾角按表2確定。

表2 無外傾結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡地基承載力折減系數(shù)

對存在外傾結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡上的基礎(chǔ)，其地基承載力應(yīng)根據(jù)坡上建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)反算的基底極限壓力值除以安全系數(shù)的方式進(jìn)行預(yù)估，其安全系數(shù)一般可取3.0。地基承載力反算應(yīng)符合以下規(guī)定：①以巖體的結(jié)構(gòu)面為滑移面做穩(wěn)定性驗(yàn)算，強(qiáng)度參數(shù)取結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；②通過基底內(nèi)邊緣的圓弧形滑面進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，強(qiáng)度參數(shù)取巖體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；③穩(wěn)定性驗(yàn)算的邊坡穩(wěn)定系數(shù)取1.0，極限承載力確定階段不考慮安全儲(chǔ)備；④應(yīng)計(jì)入可靠支擋結(jié)構(gòu)的有效抗力。

7 結(jié)束語

比較普通建筑結(jié)構(gòu)，山地建筑結(jié)構(gòu)無論是結(jié)構(gòu)模型的建立，還是結(jié)構(gòu)上作用的確定以及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算內(nèi)容的把握，都具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性和特殊性。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)特別注意山地建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，注意山地地形對山地結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性的不利影響，采取相應(yīng)有效的治理措施，確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟(jì)，力求做到概念清晰、受力合理。