坡地地形中多層框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對策

李小兵 于寧 郭敏

(1.成都市成華區(qū)政府投資項(xiàng)目評審管理中心，四川成都 610101;2.四川師范大學(xué)工學(xué)院，四川成都 610101)

坡地建筑指在高差較大的地形地貌上修建的建筑物。由于坡地建筑順應(yīng)山坡地形層層退階(層層接地)，造成其底部嵌固端不在同一個(gè)平面上，常見的接地處理方法有“吊腳”和“掉層”，結(jié)構(gòu)上即為架空、退階。“吊腳”的處理可以避免大面積開挖，保持坡地的原有地形，節(jié)約建造成本?！暗魧印钡奶幚砜梢詫⒏哌吰轮痣A退臺，使其變成一段段高差較小的平地，便于施工，但會(huì)造成一定量的開挖。

在西南山區(qū)坡地建筑已成為一種特色。坡地建筑結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有些不同，若用常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，要么會(huì)造成一些不必要的浪費(fèi)，要么會(huì)忽略一些工程設(shè)計(jì)隱患。因此，本文依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合空間有限元軟件模擬計(jì)算與結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施等方面對坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問題展開探討，亦為類似工程場地選擇、結(jié)構(gòu)選型以及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)做參考。

1 工程概況

成都地區(qū)某科研基地培訓(xùn)中心坡地客房部分依山而建，按平面布置A，B，C三區(qū)，總建筑面積約1.5萬 m2，地面標(biāo)高介于452.30 m～470.20 m，山坡坡腳約在 15°～30°，相對高差自東南向西北約18 m。A區(qū)地上5層，B區(qū)地上4層，C區(qū)地上3層，層高均為3.9 m。場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)，地震分組為第三組，抗震設(shè)防類別為丙類。平面圖中數(shù)段長條形的建筑依山就勢，由坡腳向坡頂延伸，由剖面圖中可以看出主體結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件連續(xù)不等高嵌固，且嵌固高度的差異較大。其平面圖及典型剖面圖見圖1，圖2。

圖1 平面布置圖

圖2 剖面圖

2 地層巖性和水文地質(zhì)簡況

該場地為丘陵地貌(三級階地)，主要地層從上至下依次為第四系全新統(tǒng)人工填土層()、耕土()，第四系中下更新統(tǒng)冰水堆積層()及白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)泥質(zhì)粉砂巖，山腳局部基巖直接出露。巖層傾角為2°～5°，較平緩，巖質(zhì)坡體穩(wěn)定。場區(qū)內(nèi)未見不良地質(zhì)作用，地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育，場地現(xiàn)狀穩(wěn)定，無斷裂、滑坡等影響工程穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用，適宜該工程建設(shè)。

場地地下水為賦存于上部土層的上層滯水和賦存于泥質(zhì)粉砂巖中的基巖裂隙水。水位設(shè)防標(biāo)高為442.60 m。

根據(jù)泥質(zhì)粉砂巖層的風(fēng)化程度將其分為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

坡地建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要考慮地形、場地的影響，應(yīng)同時(shí)滿足地基、邊坡以及建筑物整體穩(wěn)定性要求。從以上地質(zhì)條件可以看出，泥質(zhì)粉砂巖層埋藏較淺，是理想的持力層，因此A，B，C區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)均以獨(dú)立基礎(chǔ)淺埋的基礎(chǔ)形式為主，基礎(chǔ)持力層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，基礎(chǔ)埋深為1.5 m。設(shè)計(jì)中同時(shí)采用如下措施來保證坡體以上巖體和建筑物的整體穩(wěn)定:

1)基底標(biāo)高按1∶1逐階退臺，局部可加大基礎(chǔ)埋深，使基底應(yīng)力擴(kuò)散范圍內(nèi)無巖體臨空面，保證巖層的連續(xù)性和穩(wěn)定性;各樓層接地樓面獨(dú)立基礎(chǔ)之間均設(shè)置基礎(chǔ)拉梁，并現(xiàn)澆120 mm厚的構(gòu)造底板，以加強(qiáng)主體的整體穩(wěn)定;局部巖土交錯(cuò)處采用人工挖孔墩式基礎(chǔ)，以解決地基基礎(chǔ)不均勻沉降。

2)為減少A，B，C三區(qū)南北兩面(坡腳和坡頂)基巖臨空面坡體的風(fēng)化和溶蝕以及加強(qiáng)巖質(zhì)坡體的穩(wěn)定，對該項(xiàng)目邊坡進(jìn)行了專項(xiàng)支護(hù)設(shè)計(jì)，采用錨桿式擋土墻;坡頂擋土墻外側(cè)設(shè)截水溝，并做好地面有組織的防水排水設(shè)計(jì)。

4 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包含整體概念設(shè)計(jì)、空間模型分析計(jì)算和構(gòu)造措施。

4.1 整體概念設(shè)計(jì)

它是對結(jié)構(gòu)整體抗震性能的總體把控，通常通過控制建筑結(jié)構(gòu)的平面和豎向規(guī)則性、主體結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性等方面來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)5·12汶川地震災(zāi)后調(diào)查情況，坡地建筑地震動(dòng)放大作用明顯，因此本項(xiàng)目水平地震影響系數(shù)需按地形條件和巖土構(gòu)成做調(diào)整;A，B，C三區(qū)平面上沿地形平行于等高線布置，主體設(shè)抗震縫脫開形成三個(gè)基本規(guī)則的平面;豎向構(gòu)件因?qū)訉油穗A(考慮底部設(shè)備走線的架空層)最大高度也僅為4層，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用多層框架結(jié)構(gòu);豎向上首層平面采用“掉層”處理，營造局部平地環(huán)境消除坡地對建筑物的影響，方便施工的同時(shí)也加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定;迎坡面開挖線坡度小于30°，結(jié)合地勢坡形各樓層接地框架柱需隔一跨退一階，因而后排形成“吊腳”框架柱，不等高嵌固，在整體協(xié)同下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，應(yīng)力易集中，設(shè)計(jì)和措施上應(yīng)特別加強(qiáng);邊坡支護(hù)專項(xiàng)設(shè)計(jì)在確保巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的同時(shí)，原則上與結(jié)構(gòu)主體完全分離，以盡量減少樓面質(zhì)心與剛心的偏離，降低結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

4.2 空間模型分析

結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定、平面和豎向規(guī)則性具體指標(biāo)通過控制結(jié)構(gòu)的剛重比、周期比、剛度比、強(qiáng)度比、層間位移比等指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。按概念設(shè)計(jì)，本工程模型分別采用SATWE和PMSAP空間有限元程序進(jìn)行計(jì)算分析。為控制結(jié)構(gòu)整體協(xié)同下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減少“吊腳”柱集中應(yīng)力，對“吊腳”部位的接地頂層柱柱底嵌固進(jìn)行了調(diào)整，如圖3和圖4中圈注，圖3中“吊腳”部位的接地頂層柱柱底嵌固于結(jié)構(gòu)3層底，圖4中“吊腳”部位的接地頂層柱柱底設(shè)地梁連接，柱底嵌固于結(jié)構(gòu)2層頂。模型建立時(shí)通過PMCAD的樓層組裝，逐層設(shè)支座，即將開始退臺的柱底設(shè)為支座。

圖3 模型a

圖4 模型b

1)模型參數(shù)輸入時(shí)，首先按抗震規(guī)范4.1.8條規(guī)定，該項(xiàng)目為巖質(zhì)坡地，坡降角度小于30°，建筑物凸出地形的高度H＜20 m，查規(guī)范附表2，其水平地震影響系數(shù)最大值的放大系數(shù)λ=1.1，λαmax=1.1 ×0.08=0.088。

2)從SATWE和PMSAP的總體分析結(jié)果看，圖3和圖4主體結(jié)構(gòu)的剛重比均能滿足整體穩(wěn)定性要求，樓層剛度比、剪力比均能滿足規(guī)范要求，無薄弱層。

從結(jié)構(gòu)周期表1和樓層剛度分布表2以及樓層位移等輸出文件看區(qū)別明顯:

圖3中，第一扭振周期與第一平動(dòng)周期的比值約為0.8，以平動(dòng)為主，但第一振型平動(dòng)周期扭振成分占0.15;這說明，由于主體結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)不等高嵌固，其扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，故控制其樓層位移比是合理而且必要的。經(jīng)查X方向全樓最大樓層位移為14.50(發(fā)生于4層1塔)，Y方向全樓最大樓層位移為12.68(發(fā)生于4層1塔)，X方向最大層間位移角為1/665(第3層第1塔)，Y方向最大層間位移角為1/507(第3層第1塔)，Y方向最大層間位移角超出規(guī)范限值1/550。X方向最大層間位移與平均層間位移的比值為1.21(第3層第1塔)，Y方向最大層間位移與平均層間位移的比值為1.52(第3層第1塔)，超出規(guī)范限值1.5，為扭轉(zhuǎn)特別不規(guī)則。

圖4中，第一扭振周期與第一平動(dòng)周期的比值約為0.8，以平動(dòng)為主，第一振型平動(dòng)周期扭振成分僅占0.04，但第二振型平動(dòng)周期扭振成分占0.14;這說明，“吊腳”部位的接地頂層柱柱底采用設(shè)地梁連接方式，柱底嵌固端下移至結(jié)構(gòu)2層頂，結(jié)構(gòu)豎向剛度也隨之下移，雖增加了一定的開挖工程量，但扭轉(zhuǎn)效應(yīng)降低明顯。經(jīng)查X方向全樓最大樓層位移為14.08(發(fā)生于4層1塔)，Y方向全樓最大樓層位移為12.06(發(fā)生于4層1塔)，X方向最大層間位移角為1/562(第3層第1塔)，Y方向最大層間位移角為1/637(第3層第1塔);X方向最大層間位移與平均層間位移的比值為1.27(第3層第1塔)，Y方向最大層間位移與平均層間位移的比值為1.21(第3層第1塔)，均能滿足規(guī)范限值要求。

表1 結(jié)構(gòu)周期模型a，b對比表

表2 樓層剛度分布模型a，b對比表

圖5 框架彎矩圖

圖6 框架剪力圖

通過模型a和模型b的綜合對比分析，由于豎向的不等高嵌固，主體扭轉(zhuǎn)明顯。采用模型b雖降低了總體扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，但仍造成“吊腳”部位的接地頂層柱內(nèi)力集中且放大明顯，其典型框架內(nèi)力如圖5和圖6所圈注，這也說明，接地柱的截面和配筋均需加強(qiáng)，特別是接地頂層柱。

4.3 構(gòu)造措施

根據(jù)坡地建筑結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)，以及其主體結(jié)構(gòu)的抗震性能計(jì)算分析，按其受力、變形特點(diǎn)，有針對性地對薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)。

首先主體混凝土強(qiáng)度等級不低于C30，縱向受力鋼筋采用三級螺紋高強(qiáng)鋼筋;其次設(shè)計(jì)中對“掉層”和“吊腳”接地框架柱截面均做了調(diào)整，其截面均比上層框架柱截面每邊加大100 mm，其柱軸壓比不大于0.8，柱縱筋直徑不小于18 mm，柱箍筋沿接地層全高加密間距為100 mm;接地頂層柱、角柱除按計(jì)算要求外，柱縱筋直徑不小于20 mm，箍筋直徑不小于10 mm;同時(shí)規(guī)定接地框架柱相鄰的樓板厚度不小于120 mm，“吊腳”接地框架柱宜采用拉梁連接;樓梯柱(短柱)按角柱及抗震規(guī)范要求。

5 結(jié)語

通過對坡地建筑項(xiàng)目實(shí)例結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)分析和研究，為今后的坡地建筑的場地選擇、結(jié)構(gòu)選型以及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供一些有益的借鑒:

1)選擇建筑場地時(shí)應(yīng)盡量避開不穩(wěn)定的邊坡和陡坎，平面布置宜平行于等高線;2)坡地建筑坡腳和坡頂遇邊坡開挖形成的陡坎(臨空面)，原則上其邊坡支護(hù)另行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，邊坡支護(hù)宜與主體脫開;3)坡地建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要考慮地形、場地的影響，應(yīng)同時(shí)滿足地基、邊坡以及建筑物整體穩(wěn)定性要求，同時(shí)也應(yīng)防止地基基礎(chǔ)不均勻沉降問題;4)應(yīng)考慮坡地建筑地震動(dòng)放大作用;5)坡地建筑尤其要注重概念設(shè)計(jì)，由于結(jié)構(gòu)豎向剛度不規(guī)則，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，設(shè)計(jì)時(shí)“吊腳”部位的頂層柱、角柱要特別加強(qiáng)，其“吊腳”部位的頂層柱接地部分宜采用地梁連接;6)坡地建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能需要嚴(yán)格的抗震構(gòu)造措施給予保證;7)坡地建筑應(yīng)做好地面有組織防水排水設(shè)計(jì)。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GB 50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范(2009版)［S］.

［4］劉立平，李英民，羅 建，等.邊坡變形作用下坡地建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為探討［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2013(46):63-67.

［5］王麗萍，李英民，鄭妮娜，等.5·12汶川地震典型山地建筑結(jié)構(gòu)房屋震害調(diào)查［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009(41):823-825.

［6］王麗萍.山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)地震動(dòng)輸入與側(cè)向剛度控制方法［D］.重慶:重慶大學(xué)，2010:59-85.