山地建筑結構抗震設計研究

文/張磊 北京首都工程建筑設計有限公司 北京 100089

山地建筑結構抗震設計研究

文/張磊 北京首都工程建筑設計有限公司 北京 100089

隨著人們對人居環境要求的提高，與山地地形相結合的山地建筑越來越多的出現在城市郊區的住宅規劃中。但是這種在坡地上底部構件約束部位不在同一水平面上且不能簡化為同一水平面上的結構形式，常常伴隨著平面或豎向不規則等導致結構抗震不利的情況出現，這時結構設計者不能以簡單的平地建筑結構設計的思維來進行概念設計和具體的施工圖設計，而應對山地建筑結構的地震響應復雜性給予特別的重視。

山地建筑；平地建筑；洋房；別墅；復雜性；抗震不利

0 概述

現階段，針對山地建筑結構抗震設計的規范很匱乏，這就需要我們設計人在實際工程中總結經驗和教訓，不斷的完善山地建筑結構設計時計算和構造方面的處理辦法，增強實際工程應用的可操作性。

1 山地建筑結構的震害特點

1.1 山地建筑結構的類型界定

山地建筑結構的主要類型，《重慶市住宅建筑結構設計規范》中給出了界定，有吊腳結構和掉（錯）層結構兩種類型。見下圖。

1.2 山地建筑結構的震害特點

5·12汶川地震后，諸多結構專家深入災區現場調研，對典型山地建筑震害特點進行分析例證，為后續的這種特殊建筑類型的抗震設計工作提供了寶貴的經驗和啟示。

山地建筑結構的震害特點主要包括以下幾點：

(1) 架空層形成柔弱底層而嚴重破壞；

(2) 采用長短不同柱將坡地架空，短柱易發生剪切破壞；

(3) 采用樁柱混合體系將坡地架空，樁基礎易發生破壞；

(4) 錯層處樓梯柱、樓梯板破壞嚴重；

(5) 陡坎邊緣地帶建筑物震害較重等。

山地建筑結構抗震設計經驗和啟示：

(1) 選擇建筑場地時應盡量避開不穩定的邊坡和陡坎；

(2) 山地建筑結構的抗震性能需要嚴格的構造措施和施工質量給予保證；

(3) 山地建筑結構架空層易形成柔弱底層，對于不等高柱架空，建議從概念設計上考慮和采取必要的抗震構造措施，盡量避免短柱和上剛下柔；

(4) 由于山地建筑結構豎向剛度不規則，扭轉效應明顯，建議設計時底部加強；

(5) 山地建筑架空層常會為了設計和施工方便，直接把樁基礎伸出地面當柱使用，由于其抗彎和抗剪都較弱，出地面的樁身容易發生破壞，建議設計時勿用樁代替柱，如代替柱，樁應按柱設計；

2 山地建筑與平地建筑結構抗震設計的差異

2.1 房屋建筑高度的確定

房屋的總高度是指起算地面到主要屋面板板頂或檐口的高度。

（1）平地建筑，起算地面一般指室外地面，半地下室時指地下室室內地面，全地下室和嵌固條件好的半地下室指室外地面。

（2）坡地建筑，起算地面指較低一側的室外地面。

2.2 結構計算嵌固端的選擇

（1）平地建筑，無地下室的結構，可取獨立基礎或筏板基礎底為計算嵌固端，有地下室的結構，地下室頂板作為結構嵌固端時應滿足規范對于計算嵌固端下一層與上一層比值的要求，《抗規》中6.1.14條及《高規》5.3.7條中都有規定。

（2）坡地建筑，掉層結構當下接地部分面積小于上層面積的15%時或上下接地位置高差小于1/2層高時，嵌固端可視為同高；當嵌固端選為上接地位置時，下部結構與上部對應部分的側向剛度比值不應小于2；當嵌固端選在不同高度位置時，宜優先采取獨立設計的擋土結構，保證上接地部位坡地的穩定性。

2.3 風壓高度起算點的確定

(1) 平地建筑，風荷載計算中高度的起算點為建筑室外地坪。

(2)坡地建筑，風荷載計算中高度的起算點宜取為建筑較低一側的室外地面；考慮地形條件的風壓高度變化系數的修正按現行國家標準《建筑結構荷載規范》GB50009采用。

2.4 關于地震動作用的放大

（1）平地建筑，無地震動放大的要求。

（2）坡地建筑，按照《建筑抗震設計規范》GB50011-2010第4.1.8條規定，水平地震影響系數最大值應乘以增大系數。

2.5 結構樓層的側向剛度問題

（1）平地建筑，應滿足《抗規》和《高規》對相應結構形式的具體要求。

（2）坡地建筑，除應足《抗規》和《高規》對相應結構形式的具體要求外，尚應符合下列規定：

a.對吊腳建筑結構，應驗算建筑底層以下吊腳部分的等效側向剛度，其值與上部若干層的等效側向剛度之比宜接近于1，非抗震設計時不應小于0.5，抗震設計時不應小于0.8。驗算時，吊腳部分的高度可取為最大和最小吊腳高度的平均值，上部若干層結構的驗算高度接近且不大于該平均值。

b.對掉層建筑，應驗算上接地層及以下部分的等效側向剛度，其值與上部結構若干層的等效側向剛度之比宜接近于1，非抗震設計時不應小于0.5，抗震設計時不應小于0.8。驗算時，上接地層及以下部分的等效高度可按各豎向構架的側向剛度進行加權平均計算，上部若干層結構的驗算高度接近且不大于該平均值。

2.6 結構樓層受剪承載力的問題

（1）平地建筑，應滿足《抗規》和《高規》對相應結構形式的具體要求。

（2）坡地建筑，當為吊腳結構時，吊腳部分層間受剪承載力不宜小于其上層相應部位豎向構件的承載力之和；當為掉層結構時，掉層層間受剪承載力不宜小于其上層相應部位豎向構件的承載力之和。

2.7 關于地基基礎形式的確定

（1）平地建筑，同一結構單元的基礎不宜設置在截然不同的地基上，一般情況下，同一結構單元不宜部分采用天然地基部分采用樁基。當必須采用不同的基礎形式時應采取必要的措施平衡不均勻沉降的產生。

（2）坡地建筑，巖石地基時可部分采用天然地基部分采用樁基，但應加強樁基剛度。由于巖石地基剛度大，一般可不考慮不均勻沉降帶來的不利影響。

3 山地建筑結構設計實際工程中若干細節問題的處理

金地門頭溝項目位于北京市門頭溝區龍泉鎮高家園村，場地位于山前緩坡地帶，地勢呈臺階狀。該場地內建有會所，聯排別墅，花園洋房，普通商品房，地下車庫等，通過對該項目的設計工作，匯總如下。

3.1 本工程的顯著特點是小區內道路標高較高，各主樓的±0.000的絕對高程要普遍高出現狀地面，而現狀地面表層雜填土土層較厚，這就使得即使帶一層地下室的結構（假設地下室層高3.00m），滿足建筑要求埋深的基礎其底面（約為-3.50m）也很難落在有效的地基持力層上。

對于示范區各主樓，采用結構主體直接下落到地基持力層上的方法，即局部增加地下二層（結構層）或將獨立基礎直接下落到持力層。此方法無需提前進行地基處理工作，施工隊可直接進場工作。

對于非示范區各主樓，采用的基礎方案如下：

（1）花園洋房因層數較高屬于高層建筑，天然地基承載力只有120kPa～140kPa，即使經過修正也基本不能滿足承載力的要求，而且與車庫相連的部分因車庫基礎較主樓基礎要低，基本不能進行深度修正，所以對天然地基的承載能力更加不利，建議采用CFG樁進行地基處理。

（2）聯排別墅因無地下室，根據詳堪可酌情采用墻下條形基礎，或采用筏板基礎。采用墻下條形基礎時，可僅在+0.00處做拉梁，不做樓板，建筑做地面做法。

當標高之差≥0，采用天然地基地基；

當-2米≤標高之差≤-2,5米，采用換填地基；

當標高之差≥-2.5米，采用CFG復合地基；

（3）公租房因層數較高屬于高層建筑，天然地基承載力只有120kPa～140kPa，采用CFG樁進行地基處理。基底可淺埋，基底標高為-2.000，局部由于設備管線穿行基底需降板，基底與+0.00間回填土。

4 總結

首先，要進行整體大局的把控，搞清楚建筑總圖中各主體及主體外建筑完成面的標高，明確支擋結構的位置及各子項的施工順序。其次，對于各主體結構，需最先進行概念設計，了解山地建筑結構震害的特點，從而有針對性的對各局部環節進行加強。

[1] GB50011-2010建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010年.

[2]GB50010-2010混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010年.

研究方向：山地建筑結構抗震設計研究。

圖十一 鋼梁絕對撓度圖(恒+活) (mm)

圖十二 sap2000三維計算一層半處鋼結構應力比圖

因實際柱子兩端是有位移和變形的，不是完全的固定支座，應該考慮結構的協同作用，故用sap2000空間三維建模計算，經計算應力比增大(如圖十二)，位移也發生變化，但都在規范允許范圍內。

目前該工程已建成兩年，實踐表明該結構形式合理，計算理論正確，對于工程實踐有一定的指導意義。

懸挑結構形式多樣，但大都從樓層處懸挑，半樓層處懸挑的結構介紹及研究尚不多見。隨著人類對美感的追求越來越高，對結構形式的要求也越來越高。本文通過在樓層間加設與樓層梁鉸接連接的鋼柱，在鋼柱中間段加設與鋼柱剛接連接的懸挑鋼梁的理論探討及工程實踐應用對于懸挑結構的研究及實際應用具有一定的參考意義。

張磊（1983.01），男，漢族，北京大興，本科，職稱：中級。北京首都工程建筑設計有限公司，