山地建筑結構抗震設計特殊性探討

靳金堂

上海析越建筑設計咨詢有限公司 上海 201812

正文：

1 引言

山地建筑依山而建，坡地或臺地地基造成了其不同于平地建筑結構的復雜性，使其具有先天豎向不規(guī)則性的特點，現行規(guī)范的控制指標和計算方法對其并不完全適用，山地建筑結構抗震設計具有特殊性。

相比于平地建筑，山（坡）地建筑結構最大的特點是接地方式的復雜多樣性，即結構豎向構件約束部位不在同一個水平面上，其常見的接地方式主要有：吊腳、掉層、附崖、連崖等，如下圖所示，或多種形式的組合并用。

圖1 吊腳結構

圖2 掉層結構

圖3 附崖結構

圖4 連崖結構

2 山地建筑結構抗震設計特殊問題

本文主要從概念設計和抗震計算兩個方面探討山地建筑結構抗震設計的特殊性。

2.1 概念設計特殊問題

由于山地建筑結構接地方式的復雜性，建筑高度、高寬比、扭轉位移比、承載力比和剛度比等概念設計控制指標，對其存在一定的不適用性和特殊性。

復雜的接地方式會影響山地結構的動力特性和抗震性能，如掉層結構一般在上接地層接地部分率先屈服[1]，吊腳結構不等高柱形成的架空層易產生短柱，應從概念設計和抗震措施角度出發(fā)，盡量避免或減小短柱及上剛下柔的軟弱層對整體結構的不利影響。

2.1.1 建筑高度判定問題

建筑高度的取值關系到不同材料、不同結構形式的適用性和抗震等級的選取問題，是關乎結構安全和經濟性的重要參數。參照重慶住宅規(guī)范，山地建筑的建筑高度一般取較低一側的室外地面到主要屋面的高度，且不大于豎向構件（含上部豎向轉換構件）的真實高度。

2.1.2 指標適用性特殊問題

掉層結構一般屬于豎向不規(guī)則結構，現行規(guī)范中控制豎向不規(guī)則的指標——層間受剪承載力比和層剛度比并不適用于掉層部分及上接地層，但對接地形式影響較小的二層及以上結構，受力性能仍類似于普通平地結構，仍需滿足規(guī)范的相關要求。

連崖結構由于接地方式的特殊性，剪重比的統(tǒng)計方法不同于普通懸臂高層建筑。剪重比又稱剪力系數，指水平地震作用的樓層剪力與重力荷載代表值之比，而各樓層的重力荷載代表值是引起連崖結構地震剪力的原因，且地震剪力向坡頂和坡底兩端支座傳遞。因此，連崖結構的剪重比是否滿足規(guī)范要求，可通過計算坡底和坡頂兩支座點的樓層剪力標準值之和，及其間各樓層重力荷載代表值之和的λmin倍，并取兩者的比值來判斷[2]，若比值大于1，則剪重比滿足規(guī)范要求。其中λmin為樓層最小地震剪力系數，取值見《抗規(guī)》表5.2.5，對于豎向不規(guī)則結構的薄弱層，尚應乘以1.15的增大系數。

2.1.3 嵌固端的特殊性問題

山地建筑結構一般取各接地端為嵌固端，嵌固端通常不在同一水平面上，但也不盡然，如掉層結構上接地端以下掉一層的側向剛度不小于相應范圍上接地端以上一層側向剛度的2倍時，應盡量選擇上接地端樓蓋或掉層地下室頂板作為嵌固端，可有效減小房屋計算高度和設計難度，且經濟效益顯著，嵌固端以上結構可類似按普通平地建筑設計，并適用平地結構的各項控制指標。

嵌固端可以有多個，如連崖結構，頂部和底部均和巖石山坡基礎相連，可將嵌固層設在結構較低一側基礎頂和連崖處，計算模型可簡化為下部嵌固端、上部簡支的兩點支承方式，上支座作為不動鉸支座，可有效減小連崖結構的內力和變形。

由于場地條件多變，山地建筑的嵌固端選取應針對具體項目的實際情況具體分析，進行方案優(yōu)選，使結構概念、受力清晰且經濟合理。

2.1.4 整體穩(wěn)定性驗算問題

在風荷載或水平地震作用下，山地建筑結構的整體穩(wěn)定性驗算，實質是控制重力荷載產生的二階效應不致過大，普通懸臂梁形式的平地建筑主要是通過剛重比驗算來控制其等效側向剛度的。由于接地方式的復雜性，此方法并不一定完全適用于山地建筑。如連崖結構的在水平地震作用下的變形形態(tài)屬于剪切型，其整體穩(wěn)定性驗算就不能簡單地套用規(guī)范中關于剛重比的公式，而需要通過建立如下特征方程[2]，以特征值屈曲分析來驗算。

其中符號說明及驗算方法詳見文獻[2]。

2.2 地震作用計算問題

現行規(guī)范中的抗震分析方法是基于懸臂梁結構形式，且各嵌固端輸入相同地震激勵的前提下進行的，主要為反應譜法和單點地震時程分析法。但山地建筑結構由于接地方式復雜多樣，基礎各接地點間有高差，并受局部地形、地質影響明顯，地震動輸入情況較為復雜特殊，有時無法直接采用反應譜法計算地震作用。如文獻[3]貴陽某山地建筑的基底嵌固于坡底，第8和9跨層轉換梁嵌固于60m高的山坡頂端，抗震計算采用了在坡底和坡頂轉換部位施加多點地震激勵的方法。按《抗規(guī)》第4.1.8條規(guī)定，坡頂支承處的地震激勵要考慮局部突出地形對地震動參數的放大作用，另外尚應估算山坡自身的動力特性對于地震波傳遞和上部結構的影響[1]。

對巖質邊坡的多點地震激勵輸入，由于基巖的剛度較大，經評估分析，坡頂的地震加速度峰值較坡底放大較多，而位移時程則基本相同，因此，進行地震時程分析時，坡頂和坡底的地震激勵可以輸入有幅值差但無相對差的地震加速度時程波進行地震作用分析。但多點地震激勵時程分析法的實際操作會遇到很大困難，有時需進一步簡化計算。

3 山地建筑結構基礎設計特殊問題

山地地基一般呈兩面性：①基巖承載力高、穩(wěn)定性好，基礎設計時應優(yōu)化基礎形式，充分利用巖石承載力高的特性，合理降低基礎造價；②高邊坡、深填方等問題是山地建筑基礎設計的特點和難點。鑒于此，并考慮到大型機械施工受限等特點，山地建筑通常采用的經濟且合理的基礎形式有：天然基礎、人工挖孔墩（樁）基礎、沖孔灌注樁基礎。天然基礎應考慮相鄰基礎的高差，宜做到高差/凈距＜2.0（強風化1.5、中風化1.0），滿足穩(wěn)定性要求，必要時可采用毛石混凝土回填、分臺開挖等方式處理。當持力層較深，并需要穿越較厚的巖土層時，可采用沖孔灌注樁基礎。

關于山（坡）地建筑的基礎埋深，巖石地基上高層建筑基礎埋深可不用滿足1/15和1/18建筑高度的要求，但應滿足抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性要求，當自身抗滑移不滿足時，可采取逆坡、抗剪鍵或錨桿（索）等措施。而對土質地基仍然要滿足基礎埋置深度的要求。

山（坡）地建筑的基礎選型和持力層選取問題要比平地建筑復雜很多，通常同一結構單元宜采用相同的基礎形式，但巖質邊坡可考慮采用天然基礎和樁基礎并用的組合形式，一般也可達到較好的經濟效果，且由于基巖剛度大，沉降一般都能滿足要求。規(guī)范[4]第4.3.1條規(guī)定：同一結構單元的基礎不宜設置在性質截然不同的地基上。但由于山（坡）地區(qū)巖層起伏較大、分布復雜，經沉降分析評估，必要時也可選擇兩種或多種不同巖、土層作為基礎持力層[5]。另外，當天然基礎不可避免地部分落在土層、部分落在巖層時，通常可采用的處理方法有：①采用褥墊層對與巖石表面進行處理；②梁（拱）板跨越；③采用天然基礎與墩基礎相結合的形式．將持力層均引至基巖上；④設沉降縫。并要評估不均勻沉降的大小和不利影響，考慮加強上部結構剛度或設置基礎梁等措施。

4 支擋結構設計特殊問題

山坡地區(qū)支擋結構一般有兩種設計思路：脫開和合并。脫開就是將支擋結構與主體結構脫開分別設計，此方法受力清晰明確，相互間無不利影響，且利于建筑在支擋側增開窗井，改善通風采光條件，防水防潮。當山地建筑的地下室各邊填埋深度相差較大時，《抗規(guī)》第6.1.14條的條文說明也推薦單獨設置支擋結構。缺點是會增加巖石土方開挖量，工程造價相對較高，施工工期較長。

合并即結合主體結構布置擋土墻，將擋土墻和地下室外墻“兩墻合一”，既可減少工程造價、縮短施工工期，又可增大空間面積。缺點是受力不清晰，應考慮主體結構、支擋結構及巖土的共同作用，支擋結構也往往會造成剛度突變、位移比增大、結構扭轉效應明顯，對抗震不利。另外，擋土墻內側一般為地下室內空間，不能設置泄水孔，但可以通過在擋墻背面底部和中部設置盲溝進行排水。

脫開設計時，還應考慮支擋結構的施工空間對主體結構基礎的影響，擋土墻施工需要在后側超開挖，預留支模和操作空間，此空間會造成周圍土體擾動或持力層缺失，擋土墻基礎也可能會與主體結構基礎碰撞沖突，因此，應盡可能減少超開挖，并采用毛石混凝土局部換填或將主體結構天然基礎分臺落至持力層上等避讓措施。

山地建筑的高邊坡意味著高成本，但高填方或大高差并不意味著一定要設置高擋墻，方案設計時應結合場地地勢、地質條件，以及與建筑的平面關系，可采用放坡+矮擋墻、網格梁+矮擋墻或多級擋土墻的等組合形式，優(yōu)化支擋結構，以降低工程造價。

5 山地建筑設計對施工的特殊要求

5.1 設計對基礎施工的特殊要求

山地建筑天然基礎施工時，經常出現實際地質條件與詳勘不一致的情況，因此，進行施工勘察就顯得十分必要，應對各個樁位或獨立基礎進行鉆探測試，以期探明基底下持力層實際情況，避免出現不良地質。當基礎基底開挖至設計標高，卻未到持力層或存在不良地質情況時，一般有以下處理方法：①降低基底標高至持力層上；②對基底下土層采用毛石混凝土、級配砂石等置換處理；③持力層稍深時，可同時采用方法①和②；④采用墩基礎，將基底引至持力層。

吊腳結構基礎施工時，常會發(fā)現直接把工程樁伸出地面與框架柱混用，但由于樁基的抗彎和抗剪承載力都較低，露出地面的樁身很容易破壞，因此設計和施工時均應避免用樁替代框架柱。

5.2 施工工序的影響

山地建筑結構應重視施工工序的影響，筆者在參建的某山地項目現場發(fā)現，二級高邊坡擋墻的施工工序與設計要求不符導致大量錨頭脫落、錨索斷裂的情況，主要原因為：后排樁墻后還未填土或壓實錨索已錨固，主要影響是錨索錨固后，墻后填土難以采用大型機械壓實，壓實度很難滿足設計要求，將導致后期沉降過大，容易剪斷錨索。

6 結 論

山坡地區(qū)地質復雜多樣、山勢起伏多變、持力層埋藏深淺不一，均造成了山地結構設計的難度增大，設計者應充分了解和評估項目的實際地質山勢對結構的不利影響，做好應對措施，確保山地建筑結構設計的安全、經濟、合理。