某在建坡地建筑結構設計分析

王 博

(廈門合道工程設計集團有限公司 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。對于結構設計來說，坡地建筑有別于平地建筑，結構設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的放大系數、擋土墻設計及上部結構設計等問題進行探討。

1 工程概況

本工程為三層框架結構，建筑高度約11.00m。擬建場地位于福建省漳州市，根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011－2010)[1]規定，擬建場地抗震設防烈度為7度，地震加速度為0.15g，場地設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、地陷等不良地質現象，地勘報告建議采用天然基礎，以殘積粘性土層或粉質粘土層作為基礎持力層，建筑單體剖面圖(圖1)。

圖2 λ計算簡圖

2 地震影響系數放大系數的確定

根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011 －2010)[1]第 4.1.8條規定: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定性外，尚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增大系數。其值應根據不利地段的具體情況確定，在1.1～1.6范圍內采用。

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《建筑抗震設計規范》(GB 50011－2010)第4.1.8條規定及條文說明，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:附加調整系數。(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”，為解決小區通車路線的坡度合理性，初始設計時即考慮將各建筑單體標高依照山坡走勢進行設計，未設置明顯“局部突出臺地”，整個場地內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，附加調整系數ξ取1.0。

(2)第二點計算:其中南側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，附加調整系數ξ取1.0。

根據上述計算，本工程局部突出地形頂部的地震影響系數的放大系數在1.20～1.30之間。鑒于本工程各相似單體分別位于不同部位，現統一按最大值進行放大，取1.30，即水平地震影響系數最大值為0.12*1.30=0.156。本工程統一水平地震影響系數最大值統一取為0.16。

3 擋土墻設計

擋土墻的設計要根據地形條件及建筑的使用要求，在保證結構安全的前提下，力求經濟合理，以取得較好的效益。從結構設計角度，擋土墻與建筑的結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計，即在建筑主體之外單獨設置擋土墻。該設計方法的優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保持同步進行，避免后施工基礎開挖時，擾動已建基礎的周邊土體，帶來不必要的經濟損失。

(2)擋土墻與建筑主體聯合設計，即結合主體結構設置擋土墻。該設計方法優點是將擋土墻與主體結構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面的相互影響，加快施工進度。缺點是主體結構要承受擋土墻傳來的水平側推力，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點力，將節點力輸入到框架柱頂節點上參與整體的結構計算，而且還需驗算主體結構的抗滑移和抗傾覆是否滿足要求。當有條件時，宜盡量設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構產生的附加應力，但新增垂直墻體的設置，也會影響建筑的使用功能。

本工程經過與業主方的多次比選，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合設計。

4 建模時，柱底嵌固端如何設置

本工程建筑主體局部設有吊腳層，局部結構柱底標高不在同一標高，故在PMCAD建模時不能與常規結構設計等同，通常采用以下建模方法:

(1)逐層設置支座[3]

PMCAD建模時，根據結構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置支座，以實現柱底嵌固標高不同的目的。

(2)設置柱底標高

柱底嵌固端未落至下一結構層時，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構層高減去與此柱相連的最大梁高，與此同時，還需修改設計參數中的與基礎相連的最大底標高，即填入此柱下層結構層的層高，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點力的形式輸入到主框架上，這就使計算結構帶來了一定的誤差;(b)從PKPM計算結果上可以看出，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范的限制很多，但是認真分析其結果不難發現，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，本工程設計時又將不等高的豎向構件落至最下面一層底標高再次計算，將兩次計算的結構進行包絡設計，并且加大土體背后的豎向構件及水平構件的配筋率，來彌補程序計算上的一些不足之處。

5 結語

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，也激發了建筑師們創作的靈感。

由于坡地建筑容易形成平面、豎向不規則建筑，扭轉效應明顯。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，良好的結構抗震性能是坡地建筑設計的關鍵。這就需要結構設計人員要從前期方案入手，概念設計上足夠重視，在設計過程中從嚴把握設計規范，并采取必要的抗震構造措施來加強結構的薄弱環節。

[1]GB50011－2010，建筑抗震設計規范[S].

[2]林捷.坡地建筑的結構設計分析[J].福建建材，2011，124(5).

[3]曾偉，賀渝，黃江.一種坡地建筑結構的設計方法[J].建筑結構，2013，113(3).

[4]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.