某帶下掉層坡地建筑結構設計

王炳坤

(福建晟業建筑設計有限公司 福建福州 350028)

某帶下掉層坡地建筑結構設計

王炳坤

(福建晟業建筑設計有限公司 福建福州 350028)

帶下掉層坡地建筑，建筑物四周土體約束不均衡，與常規的建筑受力上差異較大。此類坡地建筑受場地和土體的影響，結構易產生較大扭轉效應，結構呈現天生不規則性。文章結合工程實例，考慮坡地建筑設計中的抗震概念設計、崁固端的選擇、基礎埋深計算以及結構模擬計算等問題，通過概念設計和受力分析對帶下掉層坡地建筑結構設計進行探討并提出解決方案。

帶下掉層坡地建筑；基礎埋深；崁固端；概念設計

0 引言

隨著城市建筑用地緊張和綠色建筑的概念廣泛運用，坡地建筑逐漸成為一種趨勢。但大多數坡地建筑由于場地的高低變化，結構崁固端存在多個平面，從而底部豎向構件約束不在同一水平面上，結構呈現明顯不規則性。同時，建筑四周土體不均衡，邊坡對結構安全的影響，地基的不均勻性等都給結構帶來安全隱患。

因此，在設計過程中應予以重視，結構宜均勻布置，模擬計算應選擇符合實際的力學模型。本文結合具體的工程實例，通過概念設計和受力分析對某帶下掉層坡地建筑結構設計進行探討并提出解決方案。

1 工程概況

該工程為4層框架結構，局部一層下掉層，建筑高度17.800m。擬建場地位于西藏昌都市察雅縣，根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)規定，擬建場地抗震設防烈度為7度，地震加速度為0.15g，地震分組為第三組，場地類別為II類，抗震設防類別為重點設防，抗震等級為二級[1]。擬建場地位于麥曲河右側階地地帶，未出現滑坡、崩塌、泥石流等地質災害，根據地勘報告，建議以第②層粉質粘土層為持力層，擬采用獨立基礎。建筑剖面示意圖如圖1所示。

圖1 建筑剖面示意圖

2 抗震概念設計

坡地建筑建造在抗震不利地段時，根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)規定，應估計不利地段對設計地震動參數可能產生的放大作用，其水平地震影響系數最大值應乘以1.1～1.6倍的增大系數[1]。該工程根據規范公式：λ=1+ξ×α，求得λ=1.20，水平力影響系數最大值為0.12×1.20=0.144，故該工程地震影響系數最大值取0.14。

汶川大地震震害表明，坡地建筑中的掉層結構和吊腳結構震害嚴重，主要由于結構豎向構件不連續造成質心偏置，結構在地震作用下扭轉效應明顯，極易在結構底部形成薄弱層[2]，若不采取措施，將會使建筑造成嚴重破壞。故該工程采取以下有效措施：

(1)±0.000m標高設置梁板，板厚取160mm，形成數倍于上部的剛度，對上部結構有一定的約束作用。樓板采取雙層雙向拉通配筋，并滿足每層每個方向的配筋率不小于0.25%。同時，基礎面標高設置基礎梁，在±0.000m標高和基礎面共形成兩層剛度。

(2)加大掉層柱斷面尺寸，掉層柱配筋不小于上一層柱對應縱向鋼筋的1.1倍，并對下掉層柱箍筋加密。若結構中有穿層柱，應加大穿層柱截面，穿層柱縱筋應貫穿，箍筋全高加密。

(3)主體結構不宜兼作擋土墻。當主體結構兼作擋土墻的時候，在土體一側擋土墻垂直方向設置鋼筋混凝土肋墻，肋墻間距≤3m，與擋土墻同高，肋墻厚度300mm，梯形肋墻底部長度1200mm,上部長度100mm。肋墻用于減小土體壓力對主體結構的不利影響，如圖2所示。

(4)合理布置結構，嚴格控制結構的扭轉位移比，使其滿足規范的要求。

圖2 肋墻大樣圖

3 結構計算崁固端設置

帶下掉層坡地建筑結構設計與普通建筑均應保證基礎嵌固條件的有效性，崁固端必須能夠限制上部結構的位移并傳遞上部結構水平力。該工程為掉層結構，如圖3所示，掉層部分其中一側沒有全埋入土中，該外露側沒有土體約束，掉層頂板不能作為崁固端，結構四周均有達到夯實要求土體的全埋式地下室才能作為上部結構的崁固端[3]。以基礎層為崁固端，上部結構水平力通過柱和墻傳給基礎和基礎周邊土體。PKPM在模擬計算時，在設計參數中，把上接地端標高設為基礎連接最大柱底標高，或設置柱底支座，否則程序會顯示懸空柱。此兩種方式設置完后，PKPM程序能夠識別崁固端的位置以及首層柱的計算長度。

圖3 下掉層結構(設置上接地端樓蓋)

4 基礎設計

帶下掉層坡地建筑，因土層變化較大，或出現階梯型土層等，巖層大多呈現不穩定性，基礎或處于邊坡邊緣，相應地基承載力有可能降低，場地對建筑約束的不均勻是造成結構出現扭轉的主要原因之一。因此，工程設計時，在基礎埋深滿足規范要求的前提下，不僅應進行地基承載力驗算，還應進行邊坡穩定性驗算，對不滿足要求的天然坡地進行邊坡處理或設置永久性護坡。

4.1 基礎埋置深度計算

坡地建筑地面多數不在一個平面上，常會出現掉層結構和吊腳結構，場地或基礎土層出現階梯式，這樣基礎便會出現較多高差。根據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)規定，在抗震設防區，天然地基上的箱型和筏型基礎其埋置深度不應小于建筑物高度的1/15；樁基不應小于建筑物高度的1/18[1]。建筑物高度應以室外地面最低點至房屋主要屋面為標高。該工程室外地面最低點為-4.600m，主要屋面板標高為13.200m，故建筑物高度H=13.200m+4.600m=17.800m,基礎埋深d=H/15=17.800/15=1.187m,結合地質勘察資料，以第②層粉質粘土層為持力層，采用獨立基礎，基礎埋深1.5m。

該工程結構底部標高和土層均為階梯式，掉層部分基礎底標高約為-6.200m，上接地層基礎底標高為階梯式，分別為-3.500m、-4.000m、-4.600m。坡地基礎出現較多高低差時，相鄰基礎間距不小于基礎底高差的1～2倍，即L≥(1～2)ΔH。逐步放坡的同時，適當提高基礎的剛度，以免發生不均勻沉降。

4.2 地基穩定性驗算

對位于邊坡上的基礎，應進行地基承載力和穩定性驗算。該工程以土質邊坡為例，當坡高小于8m, 坡角β小于45°,垂直于坡頂邊緣線的基礎底面邊長小于或等于3m，條形基礎：a≥3.5b-d/tanβ[4]； 矩形基礎：a≥2.5b-d/tanβ[4],且a不小于2.5m時，可按平地地基進行承載力驗算，否則應進行地基穩定性驗算。其驗算公式為：MR/MS≥1.2[4],其中，MR為抗滑力矩，Ms為滑動力矩。邊坡穩定性不滿足要求時應調整基礎平面位置和埋深或對邊坡進行處理，以滿足設計要求，如圖4所示。

圖4 邊坡上基礎示意圖

5 擋土墻設置

坡地建筑設置鋼筋混凝土擋土墻分為兩種方式，一種與主體結構脫開設置，另一種與主體形成一個整體。

(1)擋墻與主體脫開。單獨設置擋墻，擋墻護坡施工完畢方可進行主體結構的施工。優點是結構受力明顯，主體結構不再承受土體水平力；缺點是施工工期長，土方開挖大，浪費場地空間。

(2)主體結構兼作擋土墻。優點是主體同擋墻一起施工，工期可以得到保證，減少土方開挖，建筑空間使用靈活。缺點是結構受力不明顯，擋墻四周土體對主體結構直接傳遞水平荷載，使結構底部產生較大扭轉效應。PKPM計算時按近似法，土體水平荷載的1/3輸入柱頂節點，2/3輸入基礎層節點，參與結構整體計算。在擋土墻垂直方向設置鋼筋砼肋墻，用來減小土體水平力對主體結構的影響。

該工程選用主體結構兼作擋土墻方式節約土方的開挖，保證工程工期，對主體結構采取了加強掉層豎向構件截面和配筋，設置垂直于擋土墻的鋼筋混凝土肋墻等措施，并嚴格控制結構扭轉位移比，滿足規范要求，保證主體結構安全。

6 結語

坡地建筑依山而建，充分利用自然與坡地資源，使人、建筑和大自然和諧統一。但同時，坡地建筑呈天生不規則性，結構受力不均衡，扭轉效應明顯，抗震性能較差。這須在設計過程中應特別注意的問題。本文對坡地多層建筑結構設計提出以下4點建議：

(1)從抗震概念設計出發，合理布置結構，控制扭轉位移比；增大地震水平力影響系數，考慮不利地段對結構的影響；增強掉層部分結構豎向構件的剛度，加強配筋。

(2)合理選擇結構計算崁固端，并增設地面層梁板，使其形成一定的約束作用。

(3)控制基礎的埋深，當無法達到規定的埋深時，應進行抗滑移和抗傾覆穩定性驗算，并采用抗拔樁、抗拉錨桿等增加抗傾覆能力。房屋高度應從室外最低點起算，基礎底標高宜設置在同一水平面上，階梯相鄰基礎間距不小于基礎底高差的1～2倍，逐步放坡。

(4)擋土墻設置，與主體結構整體計算時，須把土體水平荷載輸入柱節點，同時，在垂直擋土墻方向設置鋼筋混凝土肋墻，用來抵擋一部分土體傳給主樓的水平力。

[1] GB50010-2010 建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] 王麗萍，李英明，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(6):822-826.

[3] 林功丁.結構崁固端的確定及相關設計要點[J].福建建筑，2015.

[4] GB50007-2011 建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

Thestructuraldesignforaslopebuildingwithbasement

WANGBingkun

(Fujian ShengYe Architectural Design Co., Ltd.,Fuzhou 350028)

Slope building with basement, the restriction of the soil around the building is not balanced, and the normal building stress difference, such slope construction is affected by field and soil structure, easy to produce large torsion effect, showing irregular natural structure.Combining with the project examples, consider the seismic conceptual design, the architectural design of the slope with the fixed end of the selection, foundation depth calculation, simulation calculation and structural problems, and through the force analysis of the conceptual design of building structure design of slope belt hanging layer was discussed and solutions were put forward.

Slope building; Depth of foundation; The constrained part; Concept design

王炳坤(1983.11- )，男。

E-mail:wbk2007@163.com

2017-10-15

TU3

A

1004-6135(2017)12-0028-03