某在建坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

王 博

(廈門合道工程設(shè)計集團有限公司 福建廈門 361004)

引 言

隨著城市用地的日益減少和人們對回顧自然的渴望，坡地建筑因其依山而建，天、地、建筑很好的結(jié)合在一起，充分利用自然與坡地資源，使坡地建筑有別于其他建筑，形成獨特的建筑風格，近些年來備受都市人們的青睞。對于結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，坡地建筑有別于平地建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在一些特殊性。本文通過具體工程實例，對坡地建筑的地震影響系數(shù)的放大系數(shù)、擋土墻設(shè)計及上部結(jié)構(gòu)設(shè)計等問題進行探討。

1 工程概況

本工程為三層框架結(jié)構(gòu)，建筑高度約11.00m。擬建場地位于福建省漳州市，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011－2010)[1]規(guī)定，擬建場地抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度為0.15g，場地設(shè)計地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅱ類。本場地地勢較開闊，擬建場地大多都處于殘丘緩坡地帶，地貌有一定起伏，場地范圍及周邊未見滑坡、崩塌、泥石流、地陷等不良地質(zhì)現(xiàn)象，地勘報告建議采用天然基礎(chǔ)，以殘積粘性土層或粉質(zhì)粘土層作為基礎(chǔ)持力層，建筑單體剖面圖(圖1)。

圖2 λ計算簡圖

2 地震影響系數(shù)放大系數(shù)的確定

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011 －2010)[1]第 4.1.8條規(guī)定:當需要在條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘、非巖石的陡坡、河岸和邊坡邊緣等不利地段建造丙類及丙類以上建筑時，除保證其在地震作用下的穩(wěn)定性外，尚應(yīng)估計不利地段對設(shè)計地震動參數(shù)可能產(chǎn)生的放大作用，其水平地震影響系數(shù)最大值應(yīng)乘以增大系數(shù)。其值應(yīng)根據(jù)不利地段的具體情況確定，在1.1～1.6范圍內(nèi)采用。

本建筑場場地地勢為"波浪形"山系，起伏角度較為平緩(圖3)。由東偏北至西偏南黃海高程漸次降低，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011－2010)第4.1.8條規(guī)定及條文說明，取以下兩個不利位置進行計算，計算公式為:λ=1+ξα

α:局部突出地形地震動參數(shù)的增大幅度。(H為突出地形的相對高差，L為場地最近點距其與大地形交點的長度)

ξ:附加調(diào)整系數(shù)。(H為突出地形的相對高差，L1為場地突出臺地邊緣的距離)

H:突出地形的高差。(鑒于模型計算時地震起算點均取在建筑最底層地面以下，故H值計算時均按建筑最底層場地開挖后地面標高為標準)

圖3 建筑單體黃海高程示意圖

(1)第一點計算:根據(jù)地形圖標高尺寸，整平后場地最高標高相對于黃海高程約為99.35m，場地所在大地形較低點標高相對于黃海高程約為67.00m。該單體距離低點的平面長度尺寸約為164.5m，可計算出其坡降角度的正切值為:(99.35－3.00－67.00)/164.50=0.178，即H/L小于0.3。(計算地震作用時從最底層地面標高選取，考慮底層3.00m高度)該部位突出地形的高度約99.35－3.00－67.00=28.55m，大于25m，故α值取0.3;建筑場地各棟建筑均“依山而建”，為解決小區(qū)通車路線的坡度合理性，初始設(shè)計時即考慮將各建筑單體標高依照山坡走勢進行設(shè)計，未設(shè)置明顯“局部突出臺地”，整個場地內(nèi)單體建筑場地離突出臺地邊緣的距離約為1～2m，故L1/H小于2.5，附加調(diào)整系數(shù)ξ取1.0。

(2)第二點計算:其中南側(cè)單體雖然地面標高非整個場地最高點，但考慮到其距離大地形最低位置較近，該點相對其它點較為不利。此部位整平后場地最高標高相對于黃海高程約為83.75m，場地所在大地形較低點標高相對于黃海高程約為67.00m。該單體距離低點的平面長度尺寸約為35m，可計算出其坡降角度的正切值為:83.75－3.00－67.00/35=0.393，即H/L位于0.3～0.6之間，該部位突出地形的高度約80.75－67.00=14.75m，位于5～15m之間，故α值取0.2;L1/H小于2.5，附加調(diào)整系數(shù)ξ取1.0。

根據(jù)上述計算，本工程局部突出地形頂部的地震影響系數(shù)的放大系數(shù)在1.20～1.30之間。鑒于本工程各相似單體分別位于不同部位，現(xiàn)統(tǒng)一按最大值進行放大，取1.30，即水平地震影響系數(shù)最大值為0.12*1.30=0.156。本工程統(tǒng)一水平地震影響系數(shù)最大值統(tǒng)一取為0.16。

3 擋土墻設(shè)計

擋土墻的設(shè)計要根據(jù)地形條件及建筑的使用要求，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，力求經(jīng)濟合理，以取得較好的效益。從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度，擋土墻與建筑的結(jié)合形式大體可分為以下兩種形式[2]:

(1)擋土墻與建筑主體脫開分別設(shè)計，即在建筑主體之外單獨設(shè)置擋土墻。該設(shè)計方法的優(yōu)點是擋土墻和建筑主體受力計算明確，建筑主體不承擔擋土墻傳遞的水平荷載。缺點是因擋土墻與建筑主體脫開，可能會增加擋土墻的施工作業(yè)面的開挖量，施工工期變長，建筑的使用空間變小。還需注意擋土墻與建筑主體的施工時間應(yīng)保持同步進行，避免后施工基礎(chǔ)開挖時，擾動已建基礎(chǔ)的周邊土體，帶來不必要的經(jīng)濟損失。

(2)擋土墻與建筑主體聯(lián)合設(shè)計，即結(jié)合主體結(jié)構(gòu)設(shè)置擋土墻。該設(shè)計方法優(yōu)點是將擋土墻與主體結(jié)構(gòu)形成很好的空間體系共同受力，且施工不必考慮不同施工作業(yè)面的相互影響，加快施工進度。缺點是主體結(jié)構(gòu)要承受擋土墻傳來的水平側(cè)推力，此水平力在PMCAD建模計算時，只能采取近似的算法算出土體作用到擋土墻上的節(jié)點力，將節(jié)點力輸入到框架柱頂節(jié)點上參與整體的結(jié)構(gòu)計算，而且還需驗算主體結(jié)構(gòu)的抗滑移和抗傾覆是否滿足要求。當有條件時，宜盡量設(shè)置幾道與擋土墻垂直的墻體，能較為有效的減少土壓力對主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力，但新增垂直墻體的設(shè)置，也會影響建筑的使用功能。

本工程經(jīng)過與業(yè)主方的多次比選，從施工周期、造價等方面綜合考慮，最終確定主體范圍的擋土墻與主體聯(lián)合設(shè)計。

4 建模時，柱底嵌固端如何設(shè)置

本工程建筑主體局部設(shè)有吊腳層，局部結(jié)構(gòu)柱底標高不在同一標高，故在PMCAD建模時不能與常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計等同，通常采用以下建模方法:

(1)逐層設(shè)置支座[3]

PMCAD建模時，根據(jù)結(jié)構(gòu)柱底實際的嵌固情況，在PMCAD樓層組裝中對不同標高的柱底設(shè)置支座，以實現(xiàn)柱底嵌固標高不同的目的。

(2)設(shè)置柱底標高

柱底嵌固端未落至下一結(jié)構(gòu)層時，可在PMCAD樓層定義中修改此柱的柱底標高，所填柱底標高為下一層的結(jié)構(gòu)層高減去與此柱相連的最大梁高，與此同時，還需修改設(shè)計參數(shù)中的與基礎(chǔ)相連的最大底標高，即填入此柱下層結(jié)構(gòu)層的層高，此時軟件會自動判別支座，這種方法也較為常用。

本工程采用了第二種方法，按不等高的嵌固模型進行計算，筆者認為目前的程序計算此坡地建筑還存在一些局限性:(a)從PMCAD建模初期，就僅能將擋土墻傳遞的水平荷載近似的以節(jié)點力的形式輸入到主框架上，這就使計算結(jié)構(gòu)帶來了一定的誤差;(b)從PKPM計算結(jié)果上可以看出，在偶然偏心作用下，由于嵌固端的不同，造成樓層的最大水平位移與樓層平均位移的比值大于規(guī)范的限制很多，但是認真分析其結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，樓層的絕對位移很小(百分之幾毫米)，筆者認為可忽略不計。綜合以上兩個方面，從安全角度出發(fā)，本工程設(shè)計時又將不等高的豎向構(gòu)件落至最下面一層底標高再次計算，將兩次計算的結(jié)構(gòu)進行包絡(luò)設(shè)計，并且加大土體背后的豎向構(gòu)件及水平構(gòu)件的配筋率，來彌補程序計算上的一些不足之處。

5 結(jié)語

坡地建筑不僅可以滿足人們正常的居住使用，而且因其獨特的空間感，給人們帶來視覺、生活上的享受。近些年來，越來越多的坡地建筑受到人們的青睞，也激發(fā)了建筑師們創(chuàng)作的靈感。

由于坡地建筑容易形成平面、豎向不規(guī)則建筑，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯。從歷次的地震震害來看，坡地建筑的破壞均比正常平地建筑破壞嚴重，良好的結(jié)構(gòu)抗震性能是坡地建筑設(shè)計的關(guān)鍵。這就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計人員要從前期方案入手，概念設(shè)計上足夠重視，在設(shè)計過程中從嚴把握設(shè)計規(guī)范，并采取必要的抗震構(gòu)造措施來加強結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

[1]GB50011－2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2]林捷.坡地建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J].福建建材，2011，124(5).

[3]曾偉，賀渝，黃江.一種坡地建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013，113(3).

[4]王麗萍.山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計地震動輸入與側(cè)向剛度控制方法[D].重慶.重慶大學，2010.