坡地地形中多層框架結構的設計對策

李小兵 于寧 郭敏

(1.成都市成華區政府投資項目評審管理中心，四川成都 610101;2.四川師范大學工學院，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平面上，常見的接地處理方法有“吊腳”和“掉層”，結構上即為架空、退階?！暗跄_”的處理可以避免大面積開挖，保持坡地的原有地形，節約建造成本?！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，但會造成一定量的開挖。

在西南山區坡地建筑已成為一種特色。坡地建筑結構與常規結構設計有些不同，若用常規的設計方法，要么會造成一些不必要的浪費，要么會忽略一些工程設計隱患。因此，本文依據現行設計規范，結合空間有限元軟件模擬計算與結構構造措施等方面對坡地建筑結構設計相關問題展開探討，亦為類似工程場地選擇、結構選型以及基礎設計做參考。

1 工程概況

成都地區某科研基地培訓中心坡地客房部分依山而建，按平面布置A，B，C三區，總建筑面積約1.5萬 m2，地面標高介于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區地上5層，B區地上4層，C區地上3層，層高均為3.9 m。場地類別為Ⅱ類，抗震設防烈度為7度(0.10g)，地震分組為第三組，抗震設防類別為丙類。平面圖中數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構的豎向構件連續不等高嵌固，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人工填土層()、耕土()，第四系中下更新統冰水堆積層()及白堊系上統灌口組(K2g)泥質粉砂巖，山腳局部基巖直接出露。巖層傾角為2°～5°，較平緩，巖質坡體穩定。場區內未見不良地質作用，地質災害不發育，場地現狀穩定，無斷裂、滑坡等影響工程穩定性的不良地質作用，適宜該工程建設。

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

根據泥質粉砂巖層的風化程度將其分為強風化泥質粉砂巖層和中風化泥質粉砂巖層。

3 基礎設計

坡地建筑結構的基礎設計需要考慮地形、場地的影響，應同時滿足地基、邊坡以及建筑物整體穩定性要求。從以上地質條件可以看出，泥質粉砂巖層埋藏較淺，是理想的持力層，因此A，B，C區基礎設計均以獨立基礎淺埋的基礎形式為主，基礎持力層為強風化泥質粉砂巖層，基礎埋深為1.5 m。設計中同時采用如下措施來保證坡體以上巖體和建筑物的整體穩定:

1)基底標高按1∶1逐階退臺，局部可加大基礎埋深，使基底應力擴散范圍內無巖體臨空面，保證巖層的連續性和穩定性;各樓層接地樓面獨立基礎之間均設置基礎拉梁，并現澆120 mm厚的構造底板，以加強主體的整體穩定;局部巖土交錯處采用人工挖孔墩式基礎，以解決地基基礎不均勻沉降。

2)為減少A，B，C三區南北兩面(坡腳和坡頂)基巖臨空面坡體的風化和溶蝕以及加強巖質坡體的穩定，對該項目邊坡進行了專項支護設計，采用錨桿式擋土墻;坡頂擋土墻外側設截水溝，并做好地面有組織的防水排水設計。

4 主體結構設計

建筑結構的設計包含整體概念設計、空間模型分析計算和構造措施。

4.1 整體概念設計

它是對結構整體抗震性能的總體把控，通常通過控制建筑結構的平面和豎向規則性、主體結構整體穩定性等方面來實現。

根據5·12汶川地震災后調查情況，坡地建筑地震動放大作用明顯，因此本項目水平地震影響系數需按地形條件和巖土構成做調整;A，B，C三區平面上沿地形平行于等高線布置，主體設抗震縫脫開形成三個基本規則的平面;豎向構件因層層退階(考慮底部設備走線的架空層)最大高度也僅為4層，因此結構設計采用多層框架結構;豎向上首層平面采用“掉層”處理，營造局部平地環境消除坡地對建筑物的影響，方便施工的同時也加強了結構整體的穩定;迎坡面開挖線坡度小于30°，結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，在整體協同下扭轉效應明顯，應力易集中，設計和措施上應特別加強;邊坡支護專項設計在確保巖質邊坡穩定的同時，原則上與結構主體完全分離，以盡量減少樓面質心與剛心的偏離，降低結構扭轉效應。

4.2 空間模型分析

結構整體的穩定、平面和豎向規則性具體指標通過控制結構的剛重比、周期比、剛度比、強度比、層間位移比等指標來實現。按概念設計，本工程模型分別采用SATWE和PMSAP空間有限元程序進行計算分析。為控制結構整體協同下的扭轉效應，減少“吊腳”柱集中應力，對“吊腳”部位的接地頂層柱柱底嵌固進行了調整，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構3層底，圖4中“吊腳”部位的接地頂層柱柱底設地梁連接，柱底嵌固于結構2層頂。模型建立時通過PMCAD的樓層組裝，逐層設支座，即將開始退臺的柱底設為支座。

圖3 模型a

圖4 模型b

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

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

從結構周期表1和樓層剛度分布表2以及樓層位移等輸出文件看區別明顯:

圖3中，第一扭振周期與第一平動周期的比值約為0.8，以平動為主，但第一振型平動周期扭振成分占0.15;這說明，由于主體結構的地下連續不等高嵌固，其扭轉效應明顯，故控制其樓層位移比是合理而且必要的。經查X方向全樓最大樓層位移為14.50(發生于4層1塔)，Y方向全樓最大樓層位移為12.68(發生于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)，超出規范限值1.5，為扭轉特別不規則。

圖4中，第一扭振周期與第一平動周期的比值約為0.8，以平動為主，第一振型平動周期扭振成分僅占0.04，但第二振型平動周期扭振成分占0.14;這說明，“吊腳”部位的接地頂層柱柱底采用設地梁連接方式，柱底嵌固端下移至結構2層頂，結構豎向剛度也隨之下移，雖增加了一定的開挖工程量，但扭轉效應降低明顯。經查X方向全樓最大樓層位移為14.08(發生于4層1塔)，Y方向全樓最大樓層位移為12.06(發生于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)，均能滿足規范限值要求。

表1 結構周期模型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，主體扭轉明顯。采用模型b雖降低了總體扭轉效應，但仍造成“吊腳”部位的接地頂層柱內力集中且放大明顯，其典型框架內力如圖5和圖6所圈注，這也說明，接地柱的截面和配筋均需加強，特別是接地頂層柱。

4.3 構造措施

根據坡地建筑結構自身的特點，以及其主體結構的抗震性能計算分析，按其受力、變形特點，有針對性地對薄弱部位進行加強。

首先主體混凝土強度等級不低于C30，縱向受力鋼筋采用三級螺紋高強鋼筋;其次設計中對“掉層”和“吊腳”接地框架柱截面均做了調整，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;同時規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)按角柱及抗震規范要求。

5 結語

通過對坡地建筑項目實例結構設計的系統分析和研究，為今后的坡地建筑的場地選擇、結構選型以及基礎設計提供一些有益的借鑒:

1)選擇建筑場地時應盡量避開不穩定的邊坡和陡坎，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)，原則上其邊坡支護另行專項設計，邊坡支護宜與主體脫開;3)坡地建筑結構的基礎設計需要考慮地形、場地的影響，應同時滿足地基、邊坡以及建筑物整體穩定性要求，同時也應防止地基基礎不均勻沉降問題;4)應考慮坡地建筑地震動放大作用;5)坡地建筑尤其要注重概念設計，由于結構豎向剛度不規則，扭轉效應明顯，設計時“吊腳”部位的頂層柱、角柱要特別加強，其“吊腳”部位的頂層柱接地部分宜采用地梁連接;6)坡地建筑結構的抗震性能需要嚴格的抗震構造措施給予保證;7)坡地建筑應做好地面有組織防水排水設計。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［2］GB 50007-2011，建筑地基基礎設計規范［S］.

［3］GB 50021-2001，巖土工程勘察規范(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構的力學行為探討［J］.土木工程學報，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構房屋震害調查［J］.西安建筑科技大學學報(自然科學版)，2009(41):823-825.

［6］王麗萍.山地建筑結構設計地震動輸入與側向剛度控制方法［D］.重慶:重慶大學，2010:59-85.