某山地高層建筑結(jié)構(gòu)分析及基礎(chǔ)設(shè)計探討

劉建東

(江蘇筑森建筑設(shè)計有限公司，江蘇 常州 213000)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和人們對居住環(huán)境要求的提高，為了節(jié)省城市土地資源，與山地自然環(huán)境相適應(yīng)、與山地地貌構(gòu)造相結(jié)合的山地建筑越來越多地出現(xiàn)在一些山地較多的城市中。

與常規(guī)建筑相比，因山地地形的限制，建筑結(jié)構(gòu)的底部約束不在同一水平面上，基礎(chǔ)的埋深較小，甚至出現(xiàn)埋深為零的情況，此時需要重點關(guān)注山地建筑的基礎(chǔ)設(shè)計問題。此外，山地邊坡與主體結(jié)構(gòu)的相互作用和影響也對高層山地建筑結(jié)構(gòu)提出了更嚴格的要求。因山地建筑結(jié)構(gòu)的特殊性，國家在2020年頒布了行業(yè)標準《山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》[1]，針對山地建筑結(jié)構(gòu)的計算和構(gòu)造提出了一些相應(yīng)的要求。本文以貴州六盤水鳳凰臺住宅項目為例，從結(jié)構(gòu)分析、抗震設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)計3個方面總結(jié)了一些設(shè)計工作中碰到的問題及解決方法。

1 工程概況

六盤水鳳凰臺住宅項目位于貴州省六盤水市鐘山區(qū)，本項目包括15個住宅單體，住宅每層層高3.05 m，共25層，總高76.40 m，屬于高層剪力墻結(jié)構(gòu)，局部為商業(yè)裙房，車庫為建筑在多個臺地的多層框架結(jié)構(gòu)，項目效果圖見圖1。本項目位于山坡坡地上，整個場地地形起伏比較大，特別是東北向坡，坡勢較大，高差為50 m左右；局部塔樓存在臨空范圍，塔樓范圍內(nèi)最大高差為6 m左右。

圖1 項目效果圖

項目所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計地震分組為第二組，設(shè)計基本地震加速度0.10g，場地類別為Ⅱ類，屬抗震一般地段，特征周期Tg為0.4 s，基本風(fēng)壓0.35 kN/m2，地面粗糙度B類，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05?；A(chǔ)采用大直徑旋挖嵌巖灌注樁承臺加局部筏板基礎(chǔ)。

本工程的土層順序依次為素填土、紅黏土、基巖。擬建場地范圍內(nèi)及附近地層為石炭系大唐組第二段(C1d2)地層，場地范圍內(nèi)無活動性斷層通過，巖層整體呈單斜產(chǎn)出，主要分布為中風(fēng)化石灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀8°～12°， 傾向∠26°～30°，受區(qū)域地質(zhì)應(yīng)力影響，場區(qū)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，局部巖層表面為強風(fēng)化巖體，巖體較破碎。中風(fēng)化巖體飽和單軸抗壓強度為37.16 MPa,承載力特征值為4 000 kPa，可作為高層主體結(jié)構(gòu)樁基持力層。

2 結(jié)構(gòu)形式及接地結(jié)構(gòu)

山地建筑結(jié)合山地地形條件，采用合理的結(jié)構(gòu)接地類型，如掉層、吊腳、附崖和連崖等結(jié)構(gòu)形式(見圖2)[2]，最常見的是掉層結(jié)構(gòu)和吊腳結(jié)構(gòu)。掉層結(jié)構(gòu)是指最高接地點以下分層設(shè)置樓面結(jié)構(gòu)并與下接地端相連的結(jié)構(gòu)形式，它可利用坡地高差形成的空間。吊腳結(jié)構(gòu)是采用了長短不同的樁或柱將坡地架空成平臺的結(jié)構(gòu)形式。

圖2 山地建筑結(jié)構(gòu)形式

2.1 塔樓及地庫結(jié)構(gòu)形式

地下室按結(jié)構(gòu)形式的不同可分為塔樓范圍地下室和純地下室2部分。本項目塔樓整體采用剪力墻結(jié)構(gòu)，地下室部分采用掉層結(jié)構(gòu)；純地下室部分(地庫)采用框架結(jié)構(gòu)，屬于吊腳結(jié)構(gòu)。塔樓有掉層結(jié)構(gòu)，存在天然的結(jié)構(gòu)不規(guī)則項，為避免結(jié)構(gòu)的不規(guī)則項超限，在塔樓范圍和純地庫范圍設(shè)置結(jié)構(gòu)縫斷開(圖3)，塔樓可作為單獨的結(jié)構(gòu)單元，避免了多塔、質(zhì)心偏置而帶來的特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。圖4為設(shè)計的斷縫剖面大樣，變形內(nèi)建筑采用熱塑性橡膠條充填。

圖3 18#主樓地下平面圖(單位：m)

圖4 斷縫大樣

2.2 塔樓接地形式分析

塔樓以典型樓棟18#樓為例，地上為25層，高度78.3 m，地下18.75 m(以上接地端按1 836.40 m標高計)，房屋總高度97.05 m。18#塔樓位于小區(qū)北側(cè)，原始地形有高差，考慮到施工進度的因素，為減少開挖，在塔樓平面范圍靠北側(cè)采用支護方案設(shè)計了抗滑樁垂直支擋(圖5)，故塔樓局部形成6.5 m高差的掉層結(jié)構(gòu)(圖6)。塔樓和北側(cè)臨街商業(yè)設(shè)縫斷開，與南側(cè)車庫設(shè)縫斷開，南側(cè)車庫底板與18#塔樓底板有6.0 m高差，采用削坡的形式，并與車庫部分的吊腳結(jié)構(gòu)相銜接。

圖5 18#塔樓接地平面示意圖

圖6 18#塔樓接地端剖面圖

3 塔樓結(jié)構(gòu)整體分析

山地建筑結(jié)構(gòu)因存在掉層，故嵌固端不在同一水平面上，實際上這也是一種豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，需按照規(guī)范的豎向不規(guī)則指標進行控制，并且采取適當(dāng)?shù)拇胧┍ＷC底部構(gòu)件的延性，主要從以下幾方面進行。

3.1 結(jié)構(gòu)計算高度

本項目18#塔樓為掉層結(jié)構(gòu)，超過80%的豎向抗側(cè)力構(gòu)件位于上接地，故房屋的計算高度自上接地端算起，為97.05 m。

3.2 地震作用計算

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第5.1.4條，項目所在地的水平地震影響系數(shù)最大值(αmax)按表1所示。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第4.1.8條規(guī)定，當(dāng)在巖石陡坡等不利地段建造時，除保證在地震作用下的穩(wěn)定性外，還應(yīng)估計不利地段對設(shè)計的影響，其水平地震影響系數(shù)最大值應(yīng)乘以增大系數(shù)。按照4.1.8條文說明來確定增大系數(shù)λ，取λ=1+ξα= 1+1.0×0.1=1.1，地震工況下的水平地震影響系數(shù)最大值修正為λαmax。

表1 水平地震影響系數(shù)最大值計算

3.3 結(jié)構(gòu)性能控制

根據(jù)《山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[3]及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4]中對高層剪力墻結(jié)構(gòu)、山地掉層結(jié)構(gòu)的規(guī)定，本項目塔樓計算分析控制指標如下：①掉層結(jié)構(gòu)上接地層的豎向構(gòu)件的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1；②掉層及上接地層掉層范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度不宜小于上一層相應(yīng)結(jié)構(gòu)部分的抗側(cè)剛度；掉層層間受剪承載力不小于上層相應(yīng)部位豎向構(gòu)件的受剪承載力之和的1.1倍，如圖7所示；③掉層部位的扭轉(zhuǎn)位移比限值滿足抗震規(guī)定；④結(jié)構(gòu)振型數(shù)應(yīng)保證參與質(zhì)量之和不小于總質(zhì)量的95%；⑤結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足抗傾覆計算要求，抗傾覆系數(shù)不小于1.5；⑥掉層結(jié)構(gòu)上接地端樓蓋和上接地層樓蓋的框架梁按偏拉構(gòu)件設(shè)計構(gòu)造；⑦關(guān)鍵構(gòu)件控制：接地層及上接地層豎向構(gòu)件屬于剛度突變的薄弱部位，按中震彈性進行設(shè)計。

圖7 剛度、受剪承載力計算簡圖

4 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計及構(gòu)造

對山地建筑而言，其結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計一般是從概念設(shè)計、計算及構(gòu)造措施這3方面來進行。其中，概念設(shè)計指的是對山地建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震性能進行總體把控，一般是通過控制山地建筑結(jié)構(gòu)的高度、高寬比、平面及豎向規(guī)則性等方面來實現(xiàn)，而平面和豎向不規(guī)則性通常是通過對剛度比、強度比以及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)等指標進行控制來實現(xiàn)的。

在對這些指標進行實際計算時通常會存在2個問題：一是如何按照實際計算，二是計算結(jié)果是否適應(yīng)山地建筑結(jié)構(gòu)特點。為了加強山地建筑的抗震設(shè)計，必須要在控制常規(guī)地形下建筑指標的基礎(chǔ)上結(jié)合山地建筑結(jié)構(gòu)的特點進行修正。具體來說，在山地建筑的抗震設(shè)計中應(yīng)主要考慮以下問題。

1)在概念設(shè)計中，首先，需要考慮如何確定結(jié)構(gòu)高度界定中的起算點(最高接地點、最低接地點、平均高度)。根據(jù)山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計標準及掉層結(jié)構(gòu)計算房屋高度時，當(dāng)大多數(shù)豎向抗側(cè)力構(gòu)件嵌固于上接地端時宜以上接地端起算，否則以下接地端起算。其次，需要考慮如何合理選取模型計算結(jié)構(gòu)嵌固端，由于山地建筑結(jié)構(gòu)的特點是其底部約束不在同一水平面上，因此其嵌固點也應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際而選擇不同的高度來建立模型。

2)在地震力計算中，需要模擬出真實的地震力作用。由于山地建筑結(jié)構(gòu)要與地形環(huán)境相適應(yīng)，所以容易形成單側(cè)、兩側(cè)或三側(cè)帶約束的地下室，而約束邊的土層性質(zhì)往往直接影響其在地震作用中的受力特點。本項目為避免側(cè)向約束的不確定性，采用結(jié)構(gòu)外支護樁，加上塔樓與地庫分縫脫開的措施，一是避免在結(jié)構(gòu)上同時考慮土的作用，二是避免了多塔、質(zhì)心偏置帶來的特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，這樣一來結(jié)構(gòu)的橫向作用僅考慮地震作用和風(fēng)荷載。

3)在抗震構(gòu)造上，由于山地建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能需要使抗震構(gòu)造具有獨特性，因此應(yīng)當(dāng)在常規(guī)抗震規(guī)范的基礎(chǔ)上根據(jù)山地建筑結(jié)構(gòu)的實際抗震性能進行加強，并對薄弱環(huán)節(jié)進行有針對性的分析設(shè)計。本工程對掉層部分采取抗震等級提高一級的抗震措施；接地端以上與構(gòu)件、接地端以下與樁的連接均按抗震等級提高一級進行相關(guān)構(gòu)造；接地端底板及上接地端樓蓋均滿足作為嵌固板的有關(guān)要求，同時板內(nèi)設(shè)置雙層雙向鋼筋，并按抗震錨固、搭接要求構(gòu)造，滿足傳遞地震水平力功能。

5 主樓基礎(chǔ)設(shè)計

因山地高層建筑具有基礎(chǔ)埋深淺甚至沒有埋深的建造特性，建造時坡地土體的穩(wěn)定性及建筑的抗傾覆、抗滑移穩(wěn)定性設(shè)計尤為重要。

5.1 抗傾覆穩(wěn)定性

抗傾覆設(shè)計的主要理念是依據(jù)建筑抗震設(shè)防水準之“大震不倒”原則，《山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》中規(guī)定，7度區(qū)罕遇地震下的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)大于1.5，抗傾覆驗算公式如下所示：

Mov

其中：Mov為傾覆力矩；MR為抗傾覆力矩；K為安全系數(shù)，7度區(qū)取1.5。

本項目18#樓罕遇地震下抗傾覆驗算結(jié)果如表2、表3所示，分別采用PKPM軟件和手動方式計算復(fù)核結(jié)構(gòu)在大震下的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，兩者結(jié)果保持一致，均不小于1.5，滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求。其中：G為結(jié)構(gòu)自重標準值；B為計算方向上結(jié)構(gòu)寬度；Mov為傾覆力矩，由地震力計算得出，本項目土側(cè)壓力為0；MR為抗傾覆力矩，由結(jié)構(gòu)自重形成抵抗矩。軟件計算結(jié)果顯示，Y向為結(jié)構(gòu)的抗震薄弱方向，大震下基底零應(yīng)力區(qū)的范圍小于50%，另計算小震下基底零應(yīng)力區(qū)的范圍小于15%，均能滿足結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定要求。

表2 抗傾覆計算結(jié)果(PKPM計算)

表3 抗傾覆計算結(jié)果(手動計算復(fù)核)

5.2 抗滑移穩(wěn)定性

高層建筑基礎(chǔ)的抗滑移力主要包括基底的摩擦力、樁的水平承載力、地下室側(cè)面土的抗力[5]。本項目塔樓經(jīng)分析沒有地下室埋深，周邊土體對建筑本身沒有抗力，基底的摩擦力由于樁基的存在故不能考慮，故本項目抗滑移力僅考慮樁基的水平承載力。

本項目18#樓基礎(chǔ)采用大直徑灌注樁+承臺筏板的形式，如果在罕遇地震的瞬時作用下樁的水平承載力不足會導(dǎo)致樁體破壞，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞，且不可恢復(fù)，因此本項目采取以下2種計算方法及構(gòu)造措施來保證樁基的承載力。

1)在豎向荷載計算下完成布樁后，根據(jù)樁基規(guī)范計算每根樁的單樁水平承載力特征值，采用軟件計算罕遇地震下的基底剪力傳遞給每根樁的水平剪力，通過比較兩者確定樁基的數(shù)量是否滿足要求。經(jīng)驗算，本項目塔樓的樁基水平承載力滿足要求。

2)樁基嵌固的巖層上存在坡向的紅黏土分布，并且由于山地地形的原因，土體存在危險滑裂面，設(shè)計上為保證樁基穩(wěn)定，要求樁基需嵌入滑裂面以下2.5 m，并保證嵌巖深度，樁體高于滑裂面以上的部分按框架柱進行計算分析，并按照框架柱的要求設(shè)計配筋，該計算基于罕遇地震下的樁抗彎不屈服和抗剪彈性進行分析設(shè)計，以保證樁在強震下的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

在本文案例的18#塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為規(guī)避結(jié)構(gòu)的不規(guī)則項，避免因掉層結(jié)構(gòu)帶來的特別不規(guī)則情況，通過結(jié)構(gòu)設(shè)縫的措施，將塔樓與周邊純地庫范圍設(shè)縫脫開，并設(shè)計了結(jié)構(gòu)縫的大樣做法。

對18#塔樓地下室部分采取了掉層結(jié)構(gòu)形式，通過支護樁及削坡的巖土工程措施，使山地坡體與主體結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生相互作用。在結(jié)構(gòu)的整體分析設(shè)計上，根據(jù)規(guī)范的要求及結(jié)構(gòu)性能要求，進行了一系列計算以分析結(jié)構(gòu)性能，著重討論了與常規(guī)建筑不同掉層的范圍剛度計算、受剪承載力計算、位移比計算等，計算結(jié)果表明設(shè)計滿足山地結(jié)構(gòu)的性能要求。

對山地建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，給出了在抗震概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算高度、地震力計算和抗震構(gòu)造措施上的一些問題處理方法和應(yīng)對措施。

對山地高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計，由于山地地形的特殊性，天然存在基礎(chǔ)埋深不足的問題，根據(jù)規(guī)范及一些文獻的研究，重點分析結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)埋深不足時在罕遇地震下的整體抗傾覆和基礎(chǔ)抗滑移的穩(wěn)定性。計算了本項目18#樓結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的整體抗傾覆性能滿足要求；對樁基進行了大震下性能設(shè)計并計算樁基水平承載力，計算結(jié)果滿足抗滑移的要求及樁基安全要求。