王 博

(廈門(mén)合道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 福建廈門(mén) 361004)

引 言

隨著城市用地的日益減少和人們對(duì)回顧自然的渴望，坡地建筑因其依山而建，天、地、建筑很好的結(jié)合在一起，充分利用自然與坡地資源，使坡地建筑有別于其他建筑，形成獨(dú)特的建筑風(fēng)格，近些年來(lái)備受都市人們的青睞。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，坡地建筑有別于平地建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在一些特殊性。本文通過(guò)具體工程實(shí)例，對(duì)坡地建筑的地震影響系數(shù)的放大系數(shù)、擋土墻設(shè)計(jì)及上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 工程概況

本工程為三層框架結(jié)構(gòu)，建筑高度約11.00m。擬建場(chǎng)地位于福建省漳州市，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011－2010)[1]規(guī)定，擬建場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度為0.15g，場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震分組為第二組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)。本場(chǎng)地地勢(shì)較開(kāi)闊，擬建場(chǎng)地大多都處于殘丘緩坡地帶，地貌有一定起伏，場(chǎng)地范圍及周邊未見(jiàn)滑坡、崩塌、泥石流、地陷等不良地質(zhì)現(xiàn)象，地勘報(bào)告建議采用天然基礎(chǔ)，以殘積粘性土層或粉質(zhì)粘土層作為基礎(chǔ)持力層，建筑單體剖面圖(圖1)。

圖2 λ計(jì)算簡(jiǎn)圖

2 地震影響系數(shù)放大系數(shù)的確定

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011 －2010)[1]第 4.1.8條規(guī)定:當(dāng)需要在條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘、非巖石的陡坡、河岸和邊坡邊緣等不利地段建造丙類(lèi)及丙類(lèi)以上建筑時(shí)，除保證其在地震作用下的穩(wěn)定性外，尚應(yīng)估計(jì)不利地段對(duì)設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)可能產(chǎn)生的放大作用，其水平地震影響系數(shù)最大值應(yīng)乘以增大系數(shù)。其值應(yīng)根據(jù)不利地段的具體情況確定，在1.1～1.6范圍內(nèi)采用。

本建筑場(chǎng)場(chǎng)地地勢(shì)為"波浪形"山系，起伏角度較為平緩(圖3)。由東偏北至西偏南黃海高程漸次降低，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011－2010)第4.1.8條規(guī)定及條文說(shuō)明，取以下兩個(gè)不利位置進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為:λ=1+ξα

α:局部突出地形地震動(dòng)參數(shù)的增大幅度。(H為突出地形的相對(duì)高差，L為場(chǎng)地最近點(diǎn)距其與大地形交點(diǎn)的長(zhǎng)度)

ξ:附加調(diào)整系數(shù)。(H為突出地形的相對(duì)高差，L1為場(chǎng)地突出臺(tái)地邊緣的距離)

H:突出地形的高差。(鑒于模型計(jì)算時(shí)地震起算點(diǎn)均取在建筑最底層地面以下，故H值計(jì)算時(shí)均按建筑最底層場(chǎng)地開(kāi)挖后地面標(biāo)高為標(biāo)準(zhǔn))

圖3 建筑單體黃海高程示意圖

(1)第一點(diǎn)計(jì)算:根據(jù)地形圖標(biāo)高尺寸，整平后場(chǎng)地最高標(biāo)高相對(duì)于黃海高程約為99.35m，場(chǎng)地所在大地形較低點(diǎn)標(biāo)高相對(duì)于黃海高程約為67.00m。該單體距離低點(diǎn)的平面長(zhǎng)度尺寸約為164.5m，可計(jì)算出其坡降角度的正切值為:(99.35－3.00－67.00)/164.50=0.178，即H/L小于0.3。(計(jì)算地震作用時(shí)從最底層地面標(biāo)高選取，考慮底層3.00m高度)該部位突出地形的高度約99.35－3.00－67.00=28.55m，大于25m，故α值取0.3;建筑場(chǎng)地各棟建筑均“依山而建”，為解決小區(qū)通車(chē)路線(xiàn)的坡度合理性，初始設(shè)計(jì)時(shí)即考慮將各建筑單體標(biāo)高依照山坡走勢(shì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，未設(shè)置明顯“局部突出臺(tái)地”，整個(gè)場(chǎng)地內(nèi)單體建筑場(chǎng)地離突出臺(tái)地邊緣的距離約為1～2m，故L1/H小于2.5，附加調(diào)整系數(shù)ξ取1.0。

(2)第二點(diǎn)計(jì)算:其中南側(cè)單體雖然地面標(biāo)高非整個(gè)場(chǎng)地最高點(diǎn)，但考慮到其距離大地形最低位置較近，該點(diǎn)相對(duì)其它點(diǎn)較為不利。此部位整平后場(chǎng)地最高標(biāo)高相對(duì)于黃海高程約為83.75m，場(chǎng)地所在大地形較低點(diǎn)標(biāo)高相對(duì)于黃海高程約為67.00m。該單體距離低點(diǎn)的平面長(zhǎng)度尺寸約為35m，可計(jì)算出其坡降角度的正切值為:83.75－3.00－67.00/35=0.393，即H/L位于0.3～0.6之間，該部位突出地形的高度約80.75－67.00=14.75m，位于5～15m之間，故α值取0.2;L1/H小于2.5，附加調(diào)整系數(shù)ξ取1.0。

根據(jù)上述計(jì)算，本工程局部突出地形頂部的地震影響系數(shù)的放大系數(shù)在1.20～1.30之間。鑒于本工程各相似單體分別位于不同部位，現(xiàn)統(tǒng)一按最大值進(jìn)行放大，取1.30，即水平地震影響系數(shù)最大值為0.12*1.30=0.156。本工程統(tǒng)一水平地震影響系數(shù)最大值統(tǒng)一取為0.16。

3 擋土墻設(shè)計(jì)

擋土墻的設(shè)計(jì)要根據(jù)地形條件及建筑的使用要求，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，力求經(jīng)濟(jì)合理，以取得較好的效益。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，擋土墻與建筑的結(jié)合形式大體可分為以下兩種形式[2]:

(1)擋土墻與建筑主體脫開(kāi)分別設(shè)計(jì)，即在建筑主體之外單獨(dú)設(shè)置擋土墻。該設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是擋土墻和建筑主體受力計(jì)算明確，建筑主體不承擔(dān)擋土墻傳遞的水平荷載。缺點(diǎn)是因擋土墻與建筑主體脫開(kāi)，可能會(huì)增加擋土墻的施工作業(yè)面的開(kāi)挖量，施工工期變長(zhǎng)，建筑的使用空間變小。還需注意擋土墻與建筑主體的施工時(shí)間應(yīng)保持同步進(jìn)行，避免后施工基礎(chǔ)開(kāi)挖時(shí)，擾動(dòng)已建基礎(chǔ)的周邊土體，帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

(2)擋土墻與建筑主體聯(lián)合設(shè)計(jì)，即結(jié)合主體結(jié)構(gòu)設(shè)置擋土墻。該設(shè)計(jì)方法優(yōu)點(diǎn)是將擋土墻與主體結(jié)構(gòu)形成很好的空間體系共同受力，且施工不必考慮不同施工作業(yè)面的相互影響，加快施工進(jìn)度。缺點(diǎn)是主體結(jié)構(gòu)要承受擋土墻傳來(lái)的水平側(cè)推力，此水平力在PMCAD建模計(jì)算時(shí)，只能采取近似的算法算出土體作用到擋土墻上的節(jié)點(diǎn)力，將節(jié)點(diǎn)力輸入到框架柱頂節(jié)點(diǎn)上參與整體的結(jié)構(gòu)計(jì)算，而且還需驗(yàn)算主體結(jié)構(gòu)的抗滑移和抗傾覆是否滿(mǎn)足要求。當(dāng)有條件時(shí)，宜盡量設(shè)置幾道與擋土墻垂直的墻體，能較為有效的減少土壓力對(duì)主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力，但新增垂直墻體的設(shè)置，也會(huì)影響建筑的使用功能。

本工程經(jīng)過(guò)與業(yè)主方的多次比選，從施工周期、造價(jià)等方面綜合考慮，最終確定主體范圍的擋土墻與主體聯(lián)合設(shè)計(jì)。

4 建模時(shí)，柱底嵌固端如何設(shè)置

本工程建筑主體局部設(shè)有吊腳層，局部結(jié)構(gòu)柱底標(biāo)高不在同一標(biāo)高，故在PMCAD建模時(shí)不能與常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等同，通常采用以下建模方法:

(1)逐層設(shè)置支座[3]

PMCAD建模時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)柱底實(shí)際的嵌固情況，在PMCAD樓層組裝中對(duì)不同標(biāo)高的柱底設(shè)置支座，以實(shí)現(xiàn)柱底嵌固標(biāo)高不同的目的。

(2)設(shè)置柱底標(biāo)高

柱底嵌固端未落至下一結(jié)構(gòu)層時(shí)，可在PMCAD樓層定義中修改此柱的柱底標(biāo)高，所填柱底標(biāo)高為下一層的結(jié)構(gòu)層高減去與此柱相連的最大梁高，與此同時(shí)，還需修改設(shè)計(jì)參數(shù)中的與基礎(chǔ)相連的最大底標(biāo)高，即填入此柱下層結(jié)構(gòu)層的層高，此時(shí)軟件會(huì)自動(dòng)判別支座，這種方法也較為常用。

本工程采用了第二種方法，按不等高的嵌固模型進(jìn)行計(jì)算，筆者認(rèn)為目前的程序計(jì)算此坡地建筑還存在一些局限性:(a)從PMCAD建模初期，就僅能將擋土墻傳遞的水平荷載近似的以節(jié)點(diǎn)力的形式輸入到主框架上，這就使計(jì)算結(jié)構(gòu)帶來(lái)了一定的誤差;(b)從PKPM計(jì)算結(jié)果上可以看出，在偶然偏心作用下，由于嵌固端的不同，造成樓層的最大水平位移與樓層平均位移的比值大于規(guī)范的限制很多，但是認(rèn)真分析其結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，樓層的絕對(duì)位移很小(百分之幾毫米)，筆者認(rèn)為可忽略不計(jì)。綜合以上兩個(gè)方面，從安全角度出發(fā)，本工程設(shè)計(jì)時(shí)又將不等高的豎向構(gòu)件落至最下面一層底標(biāo)高再次計(jì)算，將兩次計(jì)算的結(jié)構(gòu)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，并且加大土體背后的豎向構(gòu)件及水平構(gòu)件的配筋率，來(lái)彌補(bǔ)程序計(jì)算上的一些不足之處。

5 結(jié)語(yǔ)

坡地建筑不僅可以滿(mǎn)足人們正常的居住使用，而且因其獨(dú)特的空間感，給人們帶來(lái)視覺(jué)、生活上的享受。近些年來(lái)，越來(lái)越多的坡地建筑受到人們的青睞，也激發(fā)了建筑師們創(chuàng)作的靈感。

由于坡地建筑容易形成平面、豎向不規(guī)則建筑，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯。從歷次的地震震害來(lái)看，坡地建筑的破壞均比正常平地建筑破壞嚴(yán)重，良好的結(jié)構(gòu)抗震性能是坡地建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。這就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要從前期方案入手，概念設(shè)計(jì)上足夠重視，在設(shè)計(jì)過(guò)程中從嚴(yán)把握設(shè)計(jì)規(guī)范，并采取必要的抗震構(gòu)造措施來(lái)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

[1]GB50011－2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]林捷.坡地建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J].福建建材，2011，124(5).

[3]曾偉，賀渝，黃江.一種坡地建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013，113(3).

[4]王麗萍.山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)地震動(dòng)輸入與側(cè)向剛度控制方法[D].重慶.重慶大學(xué)，2010.