山地建筑結構設計的幾個問題探討及處理建議

柴迎春

懷化市建筑設計研究院有限公司 湖南 懷化 418000

引言

近年來，隨著業主對居住環境提出越來越高的要求，城市郊區的山地及山區城市中涌現了大量與山地地形相適應、與自然環境相協調的山地建筑。當建筑結構的底部豎向構件的嵌固部位不在同一水平標高上，且不能簡化為同一水標高的結構體系時，為了區別于一般平地結構，我們把這種結構體系定義為山地建筑結構，與周邊山地地形相協調是山地建筑結構的特色和顯著特征。由于山地建筑的底部嵌固端不在同一標高，甚至底部的結構平面尺寸與上部標準層也相差很大，這導致其結構形式異常復雜，常常同時具有豎向不規則性和平面的不規則性，這種結構體系極易變成特別不規則結構體系，因此，山地建筑結構的設計復雜性和結構抗震設計的特殊性是一般平地結構難以企及的[1]。

隨著越來越多實際工程的實踐及工程經驗的積累，設計工作者對山地結構設計問題之特殊性和復雜性有了一定認識。文獻[2]對山地建筑的概念、計算和構造等方面均提出了一些相應的要求，但其全面性和具體可操作性方面還有待實際工程的檢驗。本文就作者在山地建筑結構設計過程中碰到的幾個問題談談自己的看法，同時提出解決相關問題的建議。

1 山地建筑場地覆蓋層厚度的確定

山地建設場地的地形往往高低錯落，起伏很大，場地平整時不可避免地存在高挖方、深填溝的現象。不管從平面分布考慮還是豎向分布考慮，同一建筑場地不同位置的工程地質條件都相差很大，且地基的均勻性和密實度離散型也很大，這種地質分布對結構的地震反應產生了不小的影響。規范規定，場地覆蓋層厚度是從建筑的室外地面到地面以下一定深度的底層厚度，這個“地面”起算點的位置直接決定了場地覆蓋層厚度的數值，對建筑場地的場地類別劃分及場地的特征周期確定產生了很大影響，有時按不同“地面”起算點確定的覆蓋層厚度劃分的場地類別完全不一樣。

出于安全考慮，建議按下列原則確定山地建筑的場地類別：

第一，當建筑存在地下室時，場地的覆蓋層厚度應采用房屋室外地坪的較高和較低的地面分別確定，取不利情況作為設計用覆蓋層厚度。第二，當建筑存在地下室時，按下面兩種情況分別確定。①當地下室外墻與周邊巖土全面接觸時，場地覆蓋層厚度應按建筑室外較高與較低地坪分別確定；②當建筑地下室與周邊巖土完全分開時，場地的覆蓋層厚度按地下室開挖后的較高及較低嵌固端地面分別確定，取兩者的不利結果作為設計用覆蓋層厚度。對結構的受力性能起控制作用，結構計算高度可從上接地端算起。其他情況，應取結構下接地嵌固端或較低接地端為結構計算高度的起算點。

2 山地建筑結構計算高度的確定

建筑結構的高度判定對確定建筑是多層建筑還是高層建筑、確定建筑結構最大適用高度以及結構的抗震措施選取、規范標準的選用等都有很大影響，因此，對結構計算高度的確定是山地建筑結構設計的首要任務，否則，后期的結構定性和上機計算參數的選取將難以定量。建議山地建筑結構的結構高度按下列原則確定：第一，當結構為掉層結構，在多數豎向構件嵌固于結構上接地端時，結構計算高度可從結構上接地端算起，否則，為安全起見，應從結構的下接地端算起；第二，當結構為吊腳結構，在多數豎向構件嵌固于結構上接地端時，結構計算高度可從結構上接地端算起，否則，為安全起見，應從較低的接地端算起。

應用上述原則時，有一個問題必須明確，就是如何理解“多數豎向構件嵌固于結構的上接地端”。為了方便設計，當上接地部分的結構抗側剛度不小于本層結構總抗側剛度的80%時，可認為滿足“多數豎向抗側力構件嵌固于結構上接地端”的要求，可近似取上接地層的非接地構件假定為完全嵌固時計算所得的接地構件的剪力之和與本層所有豎向構件的剪力之和的比值，作為側向抗側剛度比。在建筑邊坡穩定、地基變形得到控制時，與結構的上接地端相連部分的結構側向剛度達到結構上接地層的總側向剛度的80%以上，上接地端

3 山地建筑結構可否兼做支擋結構

當山地結構周邊的支護結構與主體結構連為一體時，結構的傳力途徑是不明確的，有條件時，山地建筑周邊的擋土墻宜采用獨立的支擋結構，這樣結構分析簡單明了，設計結果的正確性易于把握。當場地的抗震設防烈度不高（一般不大于7°）邊坡高度不是很大（土質邊坡高度小于5m，巖質邊坡高度小于8m），且建筑的主體結構能夠較經濟合理的抵抗巖土側向壓力時，主體結構也可兼做邊坡支護結構，此時應考慮周邊巖土壓力對主體結構的側向作用。進行主體結構電算分析時，應將支擋結構作為主體結構的一部分參與結構整體計算且應輸入巖土壓力，當以上情況對結構產生不利影響時，應采取相應的治理措施。

巖土側壓力應區分地質情況分別按照《建筑邊坡工程技術規范》GB50330中坡頂有重要建筑物基礎時的情況確定。其動土壓力可按擬靜力法確定，其土壓力系數按下式確定：

式中：KE—有地震作用時墻背主動土壓力；

Ka—無地震作用時墻背主動土壓力；

k—水平地震作用系數，6°、7°0.10g（0.15g）、8°0.20g（0.30g）時取0.125、0.22（0.31）、0.4（0.51）。

山地建筑主體結構兼做支護結構時，還應考慮山地結構在地震作用下向邊坡運動時產生的作用力。從設計實用上考慮，可取結構所受的被動巖土壓力、結構在罕遇地震作用下支擋結構所受彈性地震作用與靜止巖土壓力之和的較小值[3]。

4 山地建筑結構地震作用的計算

山地結構地震作用驗算時，不能直接應用抗震規范中的水平地震影響系數最大值進行地震作用計算，而應進行一定的修正。在設計山地結構時，首先應參照項目工程地質勘察報告有關建筑抗震地段劃分的內容，確定場地的抗震地段類別，當結構位于抗震不利地段時，應調整相關的地震動參數。抗震規范指出，當建筑位于條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘、非巖石和強風化巖石的陡坡、河岸和邊坡邊緣等抗震不利地段時，需預估抗震不利地段對設計地震動參數產生的放大作用，其水平地震影響系數最大值在規定的基礎上應乘以增大系數λ。其中，平臺段的放大系數下式（3）進行計算：

λ為局部突出地形頂部地震影響系數的增大系數；α為場地局部突出地形的地震動參數之增幅，ξ為地震動參數附加調整系數。

斜坡段的水平地震動增大系數依據平臺段的水平地震作用增大系數和坡底地震作用增大系數（取1.0）進行插值確定。為方便使用，也可按表1查閱。

表1 斜坡段設計水平地震動增大系數表

5 山地建筑的地下室有限土體滿足嵌固要求的條件

當地下室一側位于邊坡邊緣時，為使地下室頂板作為上部結構嵌固端的有效性有足夠的保障，邊坡必須滿足以下要求：

嵌固層標高處的土體（圖1）水平尺寸a應大于1.0倍從嵌固層算起的地下室高度H（a＞1.0H），地下室底板標高處的土體水平尺寸b應大于1.5倍從嵌固層算起的地下室高度（b＞1.5H）。

圖1 有限土體嵌固示意

無論自然放坡或支擋邊坡，邊坡結構均應保證穩定性及在罕遇地震作用下不破壞的性能要求。當邊坡不滿足上述要求時，不宜按照全埋地下室考慮。

當邊坡的有限土體接近本規定時，可考慮在邊坡一側的地下室內設置一定數量垂直于邊坡的鋼筋混凝土墻，以增大該方向的地下室剛度，應加強嵌固層下塔樓相關范圍內地下室剛度，嵌固端下一層與上一層側向剛度比不應小于2。當邊坡外側地面標高低于地下室底面標高時，應從嚴要求，例如：要求a＞1.5H，b＞2.0H（b為地下室底面處外墻距邊坡的水平距離）。

6 基礎位于巖石邊坡上時，其地基承載力的確定

當基礎置于巖石邊坡坡面上時，因地基在邊坡側的側阻力減小，巖體地基極限承載力也有所減小。為方便設計，《建筑地基基礎設計規范》DBJ50-047-2016中[4]規定： 地基基礎設計時，對于無外傾結構面的巖質地基，可采用對平地巖質地基承載力進行折減的辦法考慮邊坡的不利影響，其地基承載力的折減系數根據基礎外邊緣與坡腳連線傾角按表2確定。

表2 無外傾結構面的巖質邊坡地基承載力折減系數

對存在外傾結構面的巖質邊坡上的基礎，其地基承載力應根據坡上建（構）筑物基礎反算的基底極限壓力值除以安全系數的方式進行預估，其安全系數一般可取3.0。地基承載力反算應符合以下規定：①以巖體的結構面為滑移面做穩定性驗算，強度參數取結構面的抗剪強度指標；②通過基底內邊緣的圓弧形滑面進行穩定性驗算，強度參數取巖體的抗剪強度指標；③穩定性驗算的邊坡穩定系數取1.0，極限承載力確定階段不考慮安全儲備；④應計入可靠支擋結構的有效抗力。

7 結束語

比較普通建筑結構，山地建筑結構無論是結構模型的建立，還是結構上作用的確定以及結構驗算內容的把握，都具有相當的復雜性和特殊性。結構工程師應特別注意山地建筑結構的概念設計，注意山地地形對山地結構的整體穩定性的不利影響，采取相應有效的治理措施，確保整個結構的安全、經濟，力求做到概念清晰、受力合理。