山地掉層吊腳建筑結構設計

戢志鋒

中南建筑設計院股份有限公司 湖北 武漢 430071

1 工程概況

某度假建筑位于大別山主峰風景區度假村內，總建筑面積8500m2；地下2層（地下一層、夾層），層高3.9m，地下室周邊無覆土，底層以下局部架空，架空層層高5.4m。地上7層，層高3.3m，大屋面標高23.100m，本建筑通過設置防震縫分隔為A、B及連廊共四個獨立的結構單元，單元A自室外地面起算的建筑高度34.8m，為A級高度高層建筑，單元B自室外地面起算的建筑高度19.3m，為多層建筑。單元A、單元B及連廊均采用鋼筋混凝土框架結構。連廊為建筑屋面與市政道路間連接通道。

本工程于2015年12月開始設計，設計時尚無《山地建筑設計標準》可供參考，設計中參考2013年重慶市建設委員會發布的《重慶市住宅建筑結構設計規范》（DBJ50***，征求意見稿）。

因本工程場地為山地，建筑依山就勢而建，造成單元A框架柱在不同標高嵌固，形成掉層或吊腳結構。

單元A除遵循普通高層建筑框架結構設計相關規定外，還結合《建筑抗震設計》（GB50011-2010）、《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）中與山地建筑相關的規定，并參考《重慶市住宅建筑結構設計規范》（DBJ50***，征求意見稿）中與山地建筑結構相關的規定進行設計，針對山地建筑結構不等高嵌固等具體問題，采取特殊的結構措施，確保結構安全。具體詳見下文。

2 地基基礎及邊坡穩定

根據巖土勘察單位二〇一五年六月提供的《場地巖土工程勘察報告書（詳細勘察階段）》，應提供邊坡穩定性評價和防治方案建議，邊坡工程應另行設計。

根據《建筑抗震設計規范》GB50011-2010第3.3.5條，山區建筑的場地和地基基礎應符合下列要求[1]：

邊坡設計應符合現行國家標準《建筑邊坡工程技術規范》GB 50330的要求；其穩定性驗算時，有關的摩擦角應按設防烈度的高低相應修正。

邊坡附近的建筑基礎應進行抗震穩定性設計。建筑基礎與土質、強風化巖質邊坡的邊緣應留有足夠的距離，其值應根據設防烈度的高低確定，并采取措施避免地震時地基基礎破壞。

針對上述規定，邊坡開挖和地基基礎施工前，應根據巖土工程勘察報告要求對邊坡進行治理，邊坡施工應保證邊坡穩定，在確保邊坡穩定安全的前提下方可進行基礎施工。

結合場地條件，本工程基礎部分采用人工挖孔墩基礎，部分采用柱下獨立基礎。巖質邊坡坡度較大時，為減小開挖范圍，減小基坑開挖對邊坡的影響，采用人工挖孔墩基礎；地勢平坦且持力層埋深較淺時采用柱下獨立基礎，基礎持力層為中風化片麻巖或微風化片麻巖，墩基承臺與獨立基礎間設置基礎聯系梁，加強基礎整體性。

3 地震作用

本工程場地抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.05g，建筑場地類別包括Ⅰ0類、Ⅰ1類及Ⅱ類，設計時按Ⅱ類場地計算地震作用。

根據《建筑抗震設計規范》GB50011-2010第4.1.8條：在保證建筑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，本工程水平地震影響系數最大值乘以增大系數1.4[2]。

4 風荷載

本工程場地50年重現期基本風壓0.30 kN/m2，10年重現期基本風壓0.20 kN/m2。

根據《建筑結構荷載規范》8.2.2條,考慮地形條件的修正，設計時地形條件按山峰考慮，風壓高度變化系數修正系數取值η=（2.76+1.0）/2=1.88，計算時基本風壓輸入值為0.564，舒適度驗算基本風壓輸入值為0.376。計算時風荷載高度起算點取為建筑較低一側的室外地面[3]。

5 抗震等級

《重慶市住宅建筑結構設計規范》（征求意見稿）5.1.7條規定：山地建筑結構的上接地柱、吊腳及掉層部分構件的抗震等級提高一級。本工程設計時參考上述規定，將第五結構層及其下部框架抗震等級提高至二級。

6 結構計算分析

本工程部分樓層樓板局部不連續，為考慮其不利影響，采用彈性膜及剛性板計算結果進行包絡設計。

7 掉層及吊腳部分樓層側向剛度比及層間受剪承載力控制

《重慶市住宅建筑結構設計規范》（征求意見稿）5.2.2規定：山地建筑結構樓層的側向剛度，除滿足現行相關國家標準的規定外，還應符合下列規定：

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，其值與上部若干層結構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。

對掉層建筑結構，應驗算上接地層及以下部分的等效側向剛度，其值與上部若干層結構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。

《重慶市住宅建筑結構設計規范》（征求意見稿）5.2.3規定：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。

7.1 底層以下吊腳部分等效側向剛度及層間受剪承載力驗算

本工程建筑底層樓面結構標高為-7.850，結合場地條件，內側一排柱（K軸）在此標高接地，其余柱接地標高分別為-12.100（J軸）、-13.500。形成吊腳建筑結構。

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ 3-2010附錄E.0.3條所示等效側向剛度比計算方法，采用ETABS進行計算復核所得底層以下吊腳部分與第二結構層等效側向剛度比：X向為1.27，Y向為0.85[4]。

ETABS計算結果表明，底層以下吊腳部分等效側向剛度滿足要求。

根據上述5.2.3條規定，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承載力之和，吊腳部分與上層相應部分受剪承載力之比：X向為1.01，Y向為1.00。

ETABS計算結果表明表明，底層以下吊腳部分層間受剪承載力滿足要求。

7.2 掉層部分等效側向剛度及層間受剪承載力驗算

本工程建筑第五結構層新增一排上接地柱（M軸）。參考上述5.2.2條規定，應驗算五層及以下部分的等效側向剛度。參照《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ 3-2010附錄E.0.3條所示等效側向剛度比計算方法，采用SATWE進行計算， X方向等效剛度比= 1.0798，Y方向等效剛度比= 1.0857，五層及以下部分等效側向剛度滿足要求。

根據上述5.2.3條規定，掉層層間受剪承載力不宜小于其上層相應部位豎向構件承載力之和。因掉層（4層）上接地層層高相同，且掉層與其上部相應部位豎向構件截面尺寸、配筋、凈高等均無變化或變化較小，可滿足掉層層間受剪承載力不小于其上層相應部位豎向構件承載力之和的要求。

8 層間位移角

為準確計算結構上接地層層間位移角并復核其是否滿足規范規定，分別讀取SATWE計算所得結構在X、Y方向地震作用下（考慮雙向地震作用）的位移簡圖，對上接地層（5層、7層）柱采用上端節點位移減去下端節點位移計算其相應層間位移，并用層間位移與相應柱高度相比計算其層間位移角。經計算，上接地層5層X向最大層間位移角為1/1760，Y向最大層間位移角為1/810；上接地層7層X向最大層間位移角為1/1015，Y向最大層間位移角為1/658。計算結果表明，上接地層層間位移角均小于規范1/550的限值，且層間位移角最大值所在節點處框架柱均為上接地柱。

9 扭轉效應

因柱底不等高嵌固，山地建筑存在較大的橫坡向（對本工程為X向）扭轉效應，應合理控制結構扭轉位移比（包括樓層扭轉位移比、層間扭轉位移比）。

本工程SATWE分析計算結果表明，結構扭轉效應在上接地層表現尤為突出。 上接地層（5層、7層）在X+偶然偏心地震作用規定水平力下的樓層最大位移比分別為1.4、1.45，與普通樓層相比存在較為明顯的扭轉效應。上接地柱在水平荷載作用下承受的扭矩明顯大于其余框架柱。因此，因此設計時對上接地柱加強配筋構造，縱筋在計算結果基礎上適當放大，箍筋全高加密并確保最小體積配箍率不小于1.2%。

10 結束語

本工程存在掉層及吊腳，結構平面規則性及豎向規則性的判定是結構設計中重要考慮的因素，通過等效側向剛度及層間受剪承載力驗算以及扭轉效應計算，采取對掉層部分豎向構件的加強的措施，很好地控制了結構的規則性，于2016年8月結構封頂，結構建成后沉降觀測結果等各項指標良好，結構設計中的處理措施供山地建筑設計參考。