山地建筑結構特殊問題與研究進展核心探尋

孫家興 肖剛 高智 梁谷平 劉毅

中國建筑第五工程局有限公司 湖南 長沙 410000

1 山地建筑結構特點分析

山地建筑結構設計的前提是了解山地建筑的結構特點，明確山地與平原等地區的區別之處，進而才能夠結合實際山地特點進行建筑結構設計。

平原地區建筑結構中的基礎都是嵌固在同一水平面上，建筑結構計算中可將其簡化為同一水平面的結構，并根據理論力學、結構力學、彈性力學等知識進行受力分析與結構計算及其設計。山地結構因為基礎不處于同一平面，即建筑結構中的基礎嵌固端處于不同高度范圍的地基內，因而受力分析中不能簡化為同一個平面。山地中建筑與地面之間有著特殊的位置關系，這種位置關系直觀表現為需要修建區域的地形會表現出忽高忽低，山地建筑結構必須要克服不利地形的影響，從而才能夠保證建筑結構的安全性與穩固性。山地建筑最明顯的特點就是基礎嵌固具有不等高，造成接地形式存在各種不同[1]。

按照理論力學、結構力學、彈性力學等相關學科知識，基礎嵌固在不等高的情況下，結構剛度在水平方向與垂直方向的分布具有不均勻性，水平方向與垂直方向受力不均勻進一步對建筑結構提出來更高要求，即結構的受力、結構變形都相對復雜，無法直接按照常規建筑結構特點進行力學分析。山地建筑結構中還會涉及順坡方向與逆坡方向。順坡方向，山地自身結果使得建筑結構在受力分析中不能進行簡化計算，如果仍舊按照簡化方法進行結構受力分析，實際整個建筑結構的受力情況與理論性計算結果具有較大的偏差性，這種情況下必然會影響整個建筑結構的安全性[2]。

有學者對山地區域內的掉層結構采取“等代柱方法”，使用等截面、不等高柱代替掉層部分與上接地層中的非接地部分，經過計算與分析，整個建筑剛度因為掉層部分無水平作用，剛度計算結果與實際地震荷載情況差異較大，即通過該簡化方法計算出的結構受力不能滿足建筑抗震設計要求，如果山地發生地震，很可能會發生建筑結構的破壞，并威脅人民群眾的生命安全。

山地建筑在結構設計中除了考慮地形特點外，水文地質條件也是在結構設計中必須要考慮大，綜合大多數山地建筑結構類型，吊腳式、掉層、附崖是常用類型，尤其是吊腳式、掉層結構較特殊。

所謂的掉層結構是在同一結構單元內存在不少于2個且不在同一平面的嵌固端，實現對山地不同高差坡度內的空間利用，掉層結構中有連接式，也有脫開式，如果結構與邊坡之間沒有連接關系，此時則為脫開式，需要在邊坡設置獨立的支護結構，同時嵌固接地的上端與下端；連接式則需要通過邊坡擋墻加以連接，使其形成一個整體。吊腳式結構則需要結合山地特點，利用高度不同的柱使其形成一個平臺，然后在平臺上完成建筑施工與使用，視情況可采取半架空，也可采取全架空。當然如果山地整體地勢較復雜，還視情況采取吊腳式與掉層式相結合，便于適應復雜的山地地形環境需要。

2 山地建筑結構實際應用研究進展

通過對山地建筑結構特點的分析，可見山地建筑在修建與設計中會受到地形的明顯限制，因而需要視情況合理選擇建筑結構的嵌固部位。分析現有山地建筑結構類型，如果山地結構帶有地下室，上部為塔樓結構類型，此時結構嵌固過程中需要保證不同角度都有土層，便于為結構嵌固創造條件；如果帶有地下室，但是土體僅存在一個面或者兩個面，此時的結果嵌固部位不能選擇地下室頂板，而需要獨立設置支擋，保證結構主體與該面土體脫開，利用支擋承受建筑上部荷載受力，避免地下室頂板直接受力而影響到整個建筑結構的穩定性。大多數的吊腳式結構、掉層結構在結構分析與設計中，需要充分考慮底部嵌固的不等高特點，結構高度計算中需要結合嵌固情況做出分析，一般吊腳結構選擇較低的接地端作為起算點，這也是基于建筑結構安全性考慮；豎向構件嵌固在上接地端時，掉層結構可從上接地端算起；不等高嵌固在結構計算中，需要考慮到首層平面質量中心與剛心不是一個點，同時上層結構抗側剛度高于底部結構抗側剛度。山地建筑結構在設計與計算中，盡可能結合原有地形特點，使其呈現出規則性，便于簡化結構計算模型，盡可能保證理論計算與實際受力的一致性，提高山地建筑結構設計合理性與安全性，保證不同區域的嵌固效果[3]。

3 山地建筑結構特殊問題研究進展

3.1 山地地形與地基問題的研究進展

山地建筑結構在設計與施工中首先需要考慮的是地基問題，這是因為基礎將建筑荷載最終傳遞給地基，不同的地基類型對應的基礎結構、上部建筑結構也會不同。部分研究指出，山地建筑原來處于受力平衡狀態，而通過山地建筑結構的施工，原有山地結構受力會發生改變，尤其是在邊坡方面會產生較大影響。山地建筑結構計算以及設計中，需要充分考慮邊坡穩定性，隨著建筑結構的施工，建筑荷載在不斷增加，其對山地所產生的荷載，尤其是邊坡作用力也在不斷增加，因而在建筑結構設計中需要合理確定安全系數，保證邊坡的穩定性。與常規建筑相比，山地建筑中因為修建建筑而對邊坡產生的影響更大，邊坡可能在地震作用下、建筑結構豎向分力作用下發生破壞。也有研究指出，山地建筑結構中涉及多種力的作用，如建筑自身的荷載作用、地下水所產生的力學作用、地震力、地應力等，建筑荷載對整個建筑地基所產生的力，尤其是對邊坡所產生的力學效果不能忽視。

山地中既有土體邊坡，也有巖石邊坡，按照土體力學知識，土體邊坡自身穩定性較巖體邊坡穩定性更差。建筑結構中使用的樁基對巖質或土質邊坡都會產生影響，而巖土或土體自然也會對使用的支擋結構產生側向壓力，靜力作用條件下，建筑樁基影響是無外傾結構面巖質邊坡錨桿支擋設計時必須要考慮的，如果是在動力作用下，建筑樁基處于土質邊坡內，此時受力會傳遞，并使動力延伸到支擋結構中。部分研究對坡地上多層建筑施工條件下的邊坡穩定性予以分析，并進行針對性的擋土墻設計、做好山地建筑施工前的不良地基處理，研究認為山地地形、地基、基礎應與上部結構在設計中需要全面協調，充分考慮初期階段以及整個建筑施工完成后的荷載變化，不同邊坡受力變化情況。針對部分山地建筑結構，在設計中，可針對同一結構單元選擇不同的基礎形式，以最佳的基礎形式適應不同地形條件，經過理論與實踐證實了混合結構在同一山地建筑結構設計與應用中的可行性。

3.2 荷載與作用研究進展

山地建筑結構既是荷載的產生原因之一，同時也是主要的承擔荷載構件。與普通建筑相比，山地建筑結構所承受的地震荷載、風荷載等都有明顯不同，結構設計中需要充分考慮。

從風荷載方面分析，山地中風荷載對建筑有加速作用，有學者通過數值模擬計算、風洞試驗，迎風坡面、背風坡面受到風荷載的影響較大。不同山地建筑因為山地地形不同、高度差異等影響，不同建筑受到風荷載面積有所不同，此時在計算風荷載過程中需要考慮到風荷載作用點的不同，即風荷載起算點會因為受風面不同而不同，計算中需要綜合性考慮當地的風速大小等情況，考慮風荷載對整個建筑結構的不利影響。

從地震荷載方面分析，山地相對于平原地區具有高突出特點，而在地震作用下，突出部位會無形中放大地震作用力，即在相同的地震作用下，突出地面的山體區域更易發生破壞，從2008年5.12汶川大地震后建筑破壞方面可驗證這一點。根據部分學者的研究分析，山地建筑結構中坡頂、斜坡段所受到的地震荷載作用力較大，建筑結構設計中不能忽視。結合現有建筑結構設計中的抗震設計規范要求，針對局部突出地形并存在地震影響的情況，在建筑結構設計中需要通過放大系數保證結構設計的安全性，不過關于山地建筑結構中斜坡段區域內的地震放的系數并未有明確要求。國內部分學者通過二維空間模擬與計算，分析不同坡度、不同坡高情況下地震作用的影響，通過反復性驗算與分析，給出巖質斜坡段上水平向、豎向在結構設計過程中地震動的放大系數。山坡地形中，地震力作用下，坡上所產生的地震荷載作用與坡下地表地震動所產生的荷載作用有明顯不同。坡高以及土質自身條件會對坡上地表地震動常見參數產生影響，包括振幅、反應譜卓越周期等；如果是非巖質地基，針對此類山地建筑結構，如果約束相差高度較大，同時在建筑結構設計中采取剛性地基模型，此時地震荷載還需要考慮不同結構嵌固端的影響，嵌固端會對地震作用產生影響，使得該區域內的建筑結構安全性變差，總之，地震荷載作用過程中需要全面考慮山地土體或者巖體類型，同時明確建筑結構設計中的嵌固類型等，多角度考慮地震荷載作用的影響。

3.3 山地整體的穩定性研究進展

山地建筑結構在施工中需要以山地為基礎，而部分山地本身存在滑坡風險，這種情況下，需要綜合評估山地本身滑坡可能性。如果山地本身容易發生滑坡，在該區域修建的建筑結構必然安全性也會受到影響。山地建筑結構同邊坡穩定性密不可分，兩者互相影響，部分研究指出結構底部與建筑基礎部位很容易因為風荷載、地震荷載等作用，出現邊坡破壞，造成山地局部失穩。從這一方面考慮，在山地建筑結構設計中，需要從建筑自身恒定荷載、土體本身壓力、風荷載、地震荷載、施工影響等方面綜合分析，保障山地中邊坡本身的穩定以及建筑結構施工及其建筑投入使用階段的穩定性，多種荷載的組合形式以及其中對部分荷載放大系數的選擇都是要考慮的重點。

3.4 山地建筑性能指標控制研究進展

山地建筑結構在設計過程中，需要通過多種指標的綜合控制，使其滿足施工與使用要求，其中抗震設計是重點。如果山地建筑結構選擇的是掉層結構，此時需要注重軟弱層分析，根據軟弱層位置以及影響情況，加強對軟弱層的結構設計，改善軟弱層區域的受力狀態。山地建筑結構的抗震性能方面可選擇不同的剛度控制方案，按照部分學者的試驗結果，掉層部分與等效底層的剛度比會影響結構的軟弱層，而采用等效底層與相鄰上層的剛度比同樣也會影響薄弱層位置。

4 結束語

隨著人們對于建筑施工以及建筑安全要求的不斷提高，建筑行業對山地建筑結構研究對指導山地建筑施工與建筑設計有著重要價值，而在實際山地建筑結構研究中仍然不可避免地存在各種各樣的問題，要求不同部門加大對山地建筑結構的研究，不斷對建筑結構設計方案進行優化，保證建筑能符合自身要求，并最大限度適應不同地形條件，為山地區域不同建筑施工發展創造有利條件。