山地建筑掉層結構設計要點探析

黃鏵庚

（福建省環境保護設計院有限公司，福建 福州 350011）

0 引言

山地建筑因其建設場地條件的限制，其結構體系上常會出現一些薄弱部位，加大了結構設計的難度。例如由于地形原因，建筑豎向承重構件的底部嵌固標高不同，導致結構傳力路徑不清，即使處于低烈度區的建筑，在水平地震作用下也會發生較大扭轉；山地建筑經常面臨周邊覆土地坪標高相差較大的情況，形成半開敞式地下室，因此，結構設計時應考慮土體水平推力對建筑整體滑移的影響。本文根據實際工程情況，對山地建筑掉層結構設計要點進行探討。

1 工程概況

該項目位于武夷山市度假區望峰路福建省國家大氣環境武夷山監測站內。場地原始地貌屬丘陵山地，地勢西北高東南低，呈臺地地形，土壤環境質量樣品庫依坡而建，東北側臨近一既有擋墻，最近處距離6m。建筑總建筑面積2428.72m2，總占地面積979.62m2，高程關系圖及建筑效果見圖1、圖2。

圖1 高程關系圖

圖2 建筑效果圖

該工程建筑高度為11.6m，平面尺寸36m×26m，為地上三層框架結構（首層為掉層結構），其中自下而上層高分別為3m、4.2m、4.4m，出大屋面以上另有局部小屋面，檐口標高14.8m。該工程地處武夷山景區之內，建筑結構設計時應依山就勢融入自然，避免工程建設深挖高填對自然環境造成的破壞，所以方案設計時結合原有地形，采用掉層結構設計。

根據勘察報告，場地內勘察深度范圍內表層為新近填土層，其下為粉砂巖殘積黏性土，遇水易軟化崩解，再下為全風化砂巖及砂土狀強風化砂巖。本項目為三層框架結構，考慮到殘積黏性土層較薄且起伏較大，故選用全風化砂巖作為其基礎持力層，基礎采用900mm直徑人工挖孔墩基礎，墩身有效長度約為4m。

2 地震作用的調整

根據《建筑抗震設計規范》[1]（GB 50011-2010）4.1.8條文及其條文說明，對于建設在突出臺底或坡頂的建筑物，應該考慮其不利地形帶來的地震作用放大效應，地震影響的放大系數為λ=1+ξα。

該工程東側有一擋土墻，擋土墻高差H=4m，擋土墻接近垂直，故坡降角度正切H/L≥1.0，建筑距離擋土墻最近6m，最遠處20m，綜合考慮場址距突出地形邊緣距離與相對高差H的比值，L1/H=1.5～5。經查閱規范，增大幅度α=0.3，附加調整系數ξ=1.0～0.3,故地震影響系數的放大系數λ=1.09～1.3。對于項目整體考慮，應取最不利狀態考慮，故采用1.3放大系數。

另外，該工程由于地形原因，設置了一局部掉層，導致建筑框架柱底標高不同。根據《山地建筑結構設計標準》[2]（JGJ/T 472-2020）5.1.10條文，掉層結構在模擬設計軟件中如果設定建筑整體嵌固部位為上接地端時，軟件則假定該層為無限剛度，對于掉層部位來說與實際情況相差較大，會導致上部剪力彎矩無法真實地傳遞到掉層部位。

3 掉層結構的設計要點

3.1 確定建筑高度

建筑高度是確定建筑適用范圍和抗震等級的必要參數。對于存在多個嵌固端的建筑來說，合理確定其主導嵌固位置是確定其建筑高度起算位置的第一步，一般建筑物80%以上的豎向抗側力構件嵌固于同一標高時，該部分對整個建筑結構受力特性起到了主導作用，可視為主要嵌固端，建筑總高度由此起算。對于難以區分主要嵌固部位的建筑，由于不同高度的嵌固作用相互影響，結構傳力路徑更加復雜，在確定建筑高度時采用最低嵌固部位起算，同時應采取不同嵌固部位的模型進行包絡設計。

該工程掉層部分約占總平面面積的25%，二層總框架柱35根（其中非嵌固于上接地端的12根），由于各框架柱、框架梁布置相似，此處粗略估算上接地部分結構抗側剛度約占本層結構總抗側剛度的66%，故該工程建筑高度由掉層地坪面算至大屋面為11.6m（未考慮室內外高差）。

3.2 抗扭設計

對于山地建筑，即使上部平面規則對稱，由于其底部豎向構件嵌固高度不同，也會影響結構體系的受力變形，導致自身扭轉效應增強。因此在設計中需要根據結構自身特點，從抗震性能概念設計、抗震分析計算和抗震構造措施等方面進行適當加強[3]。

該工程由于地形原因，掉層部分偏置一角（見圖2），建筑左下角1～3軸交A～B軸部分框架柱在上接地端標高沒有和剛性基礎連接，導致其側向剛度相對其他框架柱較弱，在水平地震力作用下該部分位移相對較大，使建筑產生扭轉。為減小扭轉效應，均衡各框架柱的抗側剛度，首先在限制掉層層高為3m的同時，加大框架柱截面和配筋，箍筋全高加密，并在掉層部分及建筑外圍設置剪力墻，加強掉層的整體剛度，縮減與上接地端的剛度差距；其次在上接地端設置了加強樓蓋，樓蓋厚度150mm，按0.25%配筋率雙層雙向設置，在加強其剛度的同時增加樓蓋傳遞水平荷載的能力。

框架結構遭受地震作用時，其豎向承重構件發生破壞時，一般表現為在其嵌固位置發生塑性屈服，即產生塑性鉸。山地掉層結構由于豎向承重構件嵌固高度不同，當地震作用下發生塑性變形時，結構主要受力構件為協調變形必然產生額外的附加力場，使結構體系受力更為復雜，放大地震不利影響。

3.3 薄弱部位的加強

（1）根據《山地建筑結構設計標準》3.1.12條規定，該工程在設計掉層及二層豎向構件時采用1.1的重要性系數，并且對上接地層的豎向構件進行抗扭驗算和采取加強其延性的措施。

（2）掉層結構由于受力復雜，應根據樓板平面內的彈性變形進行內力計算，在計算扭轉位移比時采用剛性樓板。由于上接地端與非接地端約束條件不同，在風荷載或地震力作用下框架柱的不協調變形均由樓蓋來拉扯平衡，另外考慮掉層側邊土體對支擋結構的水平壓力，土壓力通過支擋上下傳遞給樓蓋，導致掉層結構上接地端樓蓋和下接地端樓蓋的框架梁產生附加拉力或壓力，這些構件應按偏壓（拉）構件復核。

（3）該工程通過調整層高、加強掉層部分框架強度、增設部分剪力墻的方式控制底層抗側剛度和受剪承載力大于上一層相應部位的1.1倍。同時將掉層部分的抗震構造措施提高一級，避免掉層結構成為抗震薄弱部位。

3.4 支擋結構的設計

一般情況下，在設計半開敞式地下室時，臨土面宜設置永久性支擋結構將主體結構與外部土體脫開，避免土壓力對建筑產生不利的側壓力。如果采用土體緊鄰結構主體的方案，則應充分考慮之間的相互影響。從傳力路徑清晰和結構安全性的角度出發，應優先采取土體與結構脫開的做法，但是如果另行增加支護措施，不僅會延長整體工期進度，而且也會增加工程造價。綜合考慮了建設項目的安全性、適用性和經濟性后，最終選擇采用主體結構側壁兼作為土體支擋結構的方案。

當室外土體荷載直接作用于結構主體外墻上時，不僅需考慮土體在平時狀況下的側向土壓力，還應考慮支擋結構在地震作用下向邊坡移動時產生的土壓力，取被動土壓力、罕遇地震作用下結構傳給支擋結構的彈性地震作用與靜止土壓力之和兩者的較小值。

考慮罕遇地震作用的主動土壓力可參考國外Seed等人研究和我國現行行業標準《公路工程抗震規范》（JTG B02）[4]，近似采用擬靜力法按下式計算：

式中：KE、Ka——分別為有地震作用時、無地震作用時作用在支擋結構背面上的主動土壓力；

k——水平地震系數，6度、7度、8度時取0.125、0.22（0.31）、0.4（0.51），括號中數值分別應用于7度0.15g和8度0.30g。

根據勘察報告，支擋結構外土體按殘積黏性土考慮，其內摩擦角Φk=18°，容重γ=18.5kN/m3。

主動土壓力系數∶

Ka=tan2（45-Φk/2）=0.528;

被動土壓力系數∶

Kp=tan2（45+Φk/2）=1.761;

地震作用時，支擋結構背面的主動土壓力系數∶

KE=（1+0.75×0.125）×0.528=0.58≤Kp

支擋底部土側壓力為3×18.5×0.58=32.2kN/m。

計算分析可知，每延米擋土結構向上傳遞9.7kN水平荷載至上接地端樓蓋，由樓蓋、框架梁傳遞到附近板塊的豎向構件和基礎；向下傳遞38.6kN水平荷載至下接地端基礎，由基底水平構件（剛性梁板）傳遞給周邊基礎共同承擔。結構整體建模時，應將支擋水平力按照永久荷載輸入計算，考慮對整體指標的影響。

3.5 抗滑移的設計

山地建筑由于周邊土壓力不均勻、地質巖土層傾斜等原因，對建筑整體進行抗滑移驗算是必不可少的。對于該工程，為多層框架結構，自重荷載不大，地基土所能提供的抗滑摩擦力有限，出于保守設計考慮，暫不將地基摩檫力計入抗滑設計，僅考慮墩基礎水平承載力。

該建筑擋土部分總長36m，掉層部分長18m，根據上述對支擋結構的計算，可知建筑總水平土壓力為48.3×36=1739kN,其中掉層部分承擔870kN。建筑總墩基礎數量74根，其中掉層部分墩基礎數量31根。

墩基礎是介于淺基礎與樁基礎之間的基礎形式，對于其豎向承載力采用天然基礎的計算模式，出于安全考慮，不計入墩身側面土體的貢獻。然而，對于墩基礎水平承載力,規范沒有明確規定如何確定其水平承載能力，根據單墩水平承載力特征值Hk經驗公式[5]。

式中：η——墩周土水平抗力調整系數，一般取0.7～0.9；

α——墩底擴大端水平面夾角，取14°；

d——墩身直徑，取0.9m；

D——擴大頭直徑，取1.6m；

H——墩入土深度，取5m；

h——墩體直身段，取4m。

以上數據代入公式求解可得：單墩水平承載力特征值Hk=68～87kN，取小值Hk=68kN，結合墩基礎數量，可知整體建筑水平承載力為5032kN，遠大于土體水平滑動力。而掉層部分水平承載力也有2108kN，相當于掉層水平滑動力的2.4倍。所以可得出結論，該工程在未計入基底土體摩擦力情況下，依然能滿足水平抗滑的要求。

4 結束語

山地建筑因其各自地形、地質情況不同而具有較大的特異性，每個工程都應結合項目的實際情況綜合考慮。本文根據實際工程情況，對山地結構設計中經常遇到的一些問題進行匯總：

（1）山地建筑不同嵌固高度的豎向抗側力剛度分布情況的分析，對確定建筑總高度具有重要意義。

（2）掉層結構具有先天不可避免的結構缺陷，在設計過程中特別注意底部薄弱位置的加強，按規定調整其側向剛度及受剪承載力，提高抗扭能力。

（3）在支擋結構體系的選擇上，應因地制宜采用脫開或不脫開設計，不論哪種形式都應充分考慮對整體結構的影響。

（4）山地建筑的抗滑移設計需要同時滿足整體與局部的滑移要求，避免因滑移錯動帶來的不利扭轉影響。對于自重較輕的多層建筑，由自重摩擦提供的抗滑力不足時，可選用錨入土體一定深度的基礎形式（墩基礎、樁基礎等），以提高基底抗滑力，保證建筑抗滑移穩定。