某山地高層建筑結構分析及基礎設計探討

劉建東

(江蘇筑森建筑設計有限公司，江蘇 常州 213000)

0 引言

隨著社會經濟發展和人們對居住環境要求的提高，為了節省城市土地資源，與山地自然環境相適應、與山地地貌構造相結合的山地建筑越來越多地出現在一些山地較多的城市中。

與常規建筑相比，因山地地形的限制，建筑結構的底部約束不在同一水平面上，基礎的埋深較小，甚至出現埋深為零的情況，此時需要重點關注山地建筑的基礎設計問題。此外，山地邊坡與主體結構的相互作用和影響也對高層山地建筑結構提出了更嚴格的要求。因山地建筑結構的特殊性，國家在2020年頒布了行業標準《山地建筑結構設計標準》[1]，針對山地建筑結構的計算和構造提出了一些相應的要求。本文以貴州六盤水鳳凰臺住宅項目為例，從結構分析、抗震設計、基礎設計3個方面總結了一些設計工作中碰到的問題及解決方法。

1 工程概況

六盤水鳳凰臺住宅項目位于貴州省六盤水市鐘山區，本項目包括15個住宅單體，住宅每層層高3.05 m，共25層，總高76.40 m，屬于高層剪力墻結構，局部為商業裙房，車庫為建筑在多個臺地的多層框架結構，項目效果圖見圖1。本項目位于山坡坡地上，整個場地地形起伏比較大，特別是東北向坡，坡勢較大，高差為50 m左右；局部塔樓存在臨空范圍，塔樓范圍內最大高差為6 m左右。

圖1 項目效果圖

項目所在地區抗震設防烈度7度，設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度0.10g，場地類別為Ⅱ類，屬抗震一般地段，特征周期Tg為0.4 s，基本風壓0.35 kN/m2，地面粗糙度B類，結構阻尼比為0.05。基礎采用大直徑旋挖嵌巖灌注樁承臺加局部筏板基礎。

本工程的土層順序依次為素填土、紅黏土、基巖。擬建場地范圍內及附近地層為石炭系大唐組第二段(C1d2)地層，場地范圍內無活動性斷層通過，巖層整體呈單斜產出，主要分布為中風化石灰巖，巖層產狀8°～12°， 傾向∠26°～30°，受區域地質應力影響，場區巖體節理裂隙發育，局部巖層表面為強風化巖體，巖體較破碎。中風化巖體飽和單軸抗壓強度為37.16 MPa,承載力特征值為4 000 kPa，可作為高層主體結構樁基持力層。

2 結構形式及接地結構

山地建筑結合山地地形條件，采用合理的結構接地類型，如掉層、吊腳、附崖和連崖等結構形式(見圖2)[2]，最常見的是掉層結構和吊腳結構。掉層結構是指最高接地點以下分層設置樓面結構并與下接地端相連的結構形式，它可利用坡地高差形成的空間。吊腳結構是采用了長短不同的樁或柱將坡地架空成平臺的結構形式。

圖2 山地建筑結構形式

2.1 塔樓及地庫結構形式

地下室按結構形式的不同可分為塔樓范圍地下室和純地下室2部分。本項目塔樓整體采用剪力墻結構，地下室部分采用掉層結構；純地下室部分(地庫)采用框架結構，屬于吊腳結構。塔樓有掉層結構，存在天然的結構不規則項，為避免結構的不規則項超限，在塔樓范圍和純地庫范圍設置結構縫斷開(圖3)，塔樓可作為單獨的結構單元，避免了多塔、質心偏置而帶來的特別不規則結構出現。圖4為設計的斷縫剖面大樣，變形內建筑采用熱塑性橡膠條充填。

圖3 18#主樓地下平面圖(單位：m)

圖4 斷縫大樣

2.2 塔樓接地形式分析

塔樓以典型樓棟18#樓為例，地上為25層，高度78.3 m，地下18.75 m(以上接地端按1 836.40 m標高計)，房屋總高度97.05 m。18#塔樓位于小區北側，原始地形有高差，考慮到施工進度的因素，為減少開挖，在塔樓平面范圍靠北側采用支護方案設計了抗滑樁垂直支擋(圖5)，故塔樓局部形成6.5 m高差的掉層結構(圖6)。塔樓和北側臨街商業設縫斷開，與南側車庫設縫斷開，南側車庫底板與18#塔樓底板有6.0 m高差，采用削坡的形式，并與車庫部分的吊腳結構相銜接。

圖5 18#塔樓接地平面示意圖

圖6 18#塔樓接地端剖面圖

3 塔樓結構整體分析

山地建筑結構因存在掉層，故嵌固端不在同一水平面上，實際上這也是一種豎向不規則結構，需按照規范的豎向不規則指標進行控制，并且采取適當的措施保證底部構件的延性，主要從以下幾方面進行。

3.1 結構計算高度

本項目18#塔樓為掉層結構，超過80%的豎向抗側力構件位于上接地，故房屋的計算高度自上接地端算起，為97.05 m。

3.2 地震作用計算

根據《建筑抗震設計規范》第5.1.4條，項目所在地的水平地震影響系數最大值(αmax)按表1所示。根據《建筑抗震設計規范》第4.1.8條規定，當在巖石陡坡等不利地段建造時，除保證在地震作用下的穩定性外，還應估計不利地段對設計的影響，其水平地震影響系數最大值應乘以增大系數。按照4.1.8條文說明來確定增大系數λ，取λ=1+ξα= 1+1.0×0.1=1.1，地震工況下的水平地震影響系數最大值修正為λαmax。

表1 水平地震影響系數最大值計算

3.3 結構性能控制

根據《山地建筑結構設計標準》《建筑抗震設計規范》[3]及《高層建筑混凝土結構技術規程》[4]中對高層剪力墻結構、山地掉層結構的規定，本項目塔樓計算分析控制指標如下：①掉層結構上接地層的豎向構件的結構重要性系數取1.1；②掉層及上接地層掉層范圍內結構抗側剛度不宜小于上一層相應結構部分的抗側剛度；掉層層間受剪承載力不小于上層相應部位豎向構件的受剪承載力之和的1.1倍，如圖7所示；③掉層部位的扭轉位移比限值滿足抗震規定；④結構振型數應保證參與質量之和不小于總質量的95%；⑤結構應滿足抗傾覆計算要求，抗傾覆系數不小于1.5；⑥掉層結構上接地端樓蓋和上接地層樓蓋的框架梁按偏拉構件設計構造；⑦關鍵構件控制：接地層及上接地層豎向構件屬于剛度突變的薄弱部位，按中震彈性進行設計。

圖7 剛度、受剪承載力計算簡圖

4 結構抗震設計及構造

對山地建筑而言，其結構設計中的抗震設計一般是從概念設計、計算及構造措施這3方面來進行。其中，概念設計指的是對山地建筑結構的整體抗震性能進行總體把控，一般是通過控制山地建筑結構的高度、高寬比、平面及豎向規則性等方面來實現，而平面和豎向不規則性通常是通過對剛度比、強度比以及扭轉效應等指標進行控制來實現的。

在對這些指標進行實際計算時通常會存在2個問題：一是如何按照實際計算，二是計算結果是否適應山地建筑結構特點。為了加強山地建筑的抗震設計，必須要在控制常規地形下建筑指標的基礎上結合山地建筑結構的特點進行修正。具體來說，在山地建筑的抗震設計中應主要考慮以下問題。

1)在概念設計中，首先，需要考慮如何確定結構高度界定中的起算點(最高接地點、最低接地點、平均高度)。根據山地建筑結構設計標準及掉層結構計算房屋高度時，當大多數豎向抗側力構件嵌固于上接地端時宜以上接地端起算，否則以下接地端起算。其次，需要考慮如何合理選取模型計算結構嵌固端，由于山地建筑結構的特點是其底部約束不在同一水平面上，因此其嵌固點也應當根據實際而選擇不同的高度來建立模型。

2)在地震力計算中，需要模擬出真實的地震力作用。由于山地建筑結構要與地形環境相適應，所以容易形成單側、兩側或三側帶約束的地下室，而約束邊的土層性質往往直接影響其在地震作用中的受力特點。本項目為避免側向約束的不確定性，采用結構外支護樁，加上塔樓與地庫分縫脫開的措施，一是避免在結構上同時考慮土的作用，二是避免了多塔、質心偏置帶來的特別不規則結構出現，這樣一來結構的橫向作用僅考慮地震作用和風荷載。

3)在抗震構造上，由于山地建筑結構的抗震性能需要使抗震構造具有獨特性，因此應當在常規抗震規范的基礎上根據山地建筑結構的實際抗震性能進行加強，并對薄弱環節進行有針對性的分析設計。本工程對掉層部分采取抗震等級提高一級的抗震措施；接地端以上與構件、接地端以下與樁的連接均按抗震等級提高一級進行相關構造；接地端底板及上接地端樓蓋均滿足作為嵌固板的有關要求，同時板內設置雙層雙向鋼筋，并按抗震錨固、搭接要求構造，滿足傳遞地震水平力功能。

5 主樓基礎設計

因山地高層建筑具有基礎埋深淺甚至沒有埋深的建造特性，建造時坡地土體的穩定性及建筑的抗傾覆、抗滑移穩定性設計尤為重要。

5.1 抗傾覆穩定性

抗傾覆設計的主要理念是依據建筑抗震設防水準之“大震不倒”原則，《山地建筑結構設計標準》中規定，7度區罕遇地震下的抗傾覆穩定系數應大于1.5，抗傾覆驗算公式如下所示：

Mov

其中：Mov為傾覆力矩；MR為抗傾覆力矩；K為安全系數，7度區取1.5。

本項目18#樓罕遇地震下抗傾覆驗算結果如表2、表3所示，分別采用PKPM軟件和手動方式計算復核結構在大震下的抗傾覆穩定系數，兩者結果保持一致，均不小于1.5，滿足結構穩定要求。其中：G為結構自重標準值；B為計算方向上結構寬度；Mov為傾覆力矩，由地震力計算得出，本項目土側壓力為0；MR為抗傾覆力矩，由結構自重形成抵抗矩。軟件計算結果顯示，Y向為結構的抗震薄弱方向，大震下基底零應力區的范圍小于50%，另計算小震下基底零應力區的范圍小于15%，均能滿足結構安全穩定要求。

表2 抗傾覆計算結果(PKPM計算)

表3 抗傾覆計算結果(手動計算復核)

5.2 抗滑移穩定性

高層建筑基礎的抗滑移力主要包括基底的摩擦力、樁的水平承載力、地下室側面土的抗力[5]。本項目塔樓經分析沒有地下室埋深，周邊土體對建筑本身沒有抗力，基底的摩擦力由于樁基的存在故不能考慮，故本項目抗滑移力僅考慮樁基的水平承載力。

本項目18#樓基礎采用大直徑灌注樁+承臺筏板的形式，如果在罕遇地震的瞬時作用下樁的水平承載力不足會導致樁體破壞，并導致結構的損壞，且不可恢復，因此本項目采取以下2種計算方法及構造措施來保證樁基的承載力。

1)在豎向荷載計算下完成布樁后，根據樁基規范計算每根樁的單樁水平承載力特征值，采用軟件計算罕遇地震下的基底剪力傳遞給每根樁的水平剪力，通過比較兩者確定樁基的數量是否滿足要求。經驗算，本項目塔樓的樁基水平承載力滿足要求。

2)樁基嵌固的巖層上存在坡向的紅黏土分布，并且由于山地地形的原因，土體存在危險滑裂面，設計上為保證樁基穩定，要求樁基需嵌入滑裂面以下2.5 m，并保證嵌巖深度，樁體高于滑裂面以上的部分按框架柱進行計算分析，并按照框架柱的要求設計配筋，該計算基于罕遇地震下的樁抗彎不屈服和抗剪彈性進行分析設計，以保證樁在強震下的穩定性。

6 結論

在本文案例的18#塔樓結構設計中，為規避結構的不規則項，避免因掉層結構帶來的特別不規則情況，通過結構設縫的措施，將塔樓與周邊純地庫范圍設縫脫開，并設計了結構縫的大樣做法。

對18#塔樓地下室部分采取了掉層結構形式，通過支護樁及削坡的巖土工程措施，使山地坡體與主體結構不產生相互作用。在結構的整體分析設計上，根據規范的要求及結構性能要求，進行了一系列計算以分析結構性能，著重討論了與常規建筑不同掉層的范圍剛度計算、受剪承載力計算、位移比計算等，計算結果表明設計滿足山地結構的性能要求。

對山地建筑結構的抗震設計，給出了在抗震概念設計、結構計算高度、地震力計算和抗震構造措施上的一些問題處理方法和應對措施。

對山地高層建筑的基礎設計，由于山地地形的特殊性，天然存在基礎埋深不足的問題，根據規范及一些文獻的研究，重點分析結構基礎埋深不足時在罕遇地震下的整體抗傾覆和基礎抗滑移的穩定性。計算了本項目18#樓結構在罕遇地震下的整體抗傾覆性能滿足要求；對樁基進行了大震下性能設計并計算樁基水平承載力，計算結果滿足抗滑移的要求及樁基安全要求。