劉建東

(江蘇筑森建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 常州 213000)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們對(duì)居住環(huán)境要求的提高，為了節(jié)省城市土地資源，與山地自然環(huán)境相適應(yīng)、與山地地貌構(gòu)造相結(jié)合的山地建筑越來(lái)越多地出現(xiàn)在一些山地較多的城市中。

與常規(guī)建筑相比，因山地地形的限制，建筑結(jié)構(gòu)的底部約束不在同一水平面上，基礎(chǔ)的埋深較小，甚至出現(xiàn)埋深為零的情況，此時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注山地建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問(wèn)題。此外，山地邊坡與主體結(jié)構(gòu)的相互作用和影響也對(duì)高層山地建筑結(jié)構(gòu)提出了更嚴(yán)格的要求。因山地建筑結(jié)構(gòu)的特殊性，國(guó)家在2020年頒布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[1]，針對(duì)山地建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算和構(gòu)造提出了一些相應(yīng)的要求。本文以貴州六盤(pán)水鳳凰臺(tái)住宅項(xiàng)目為例，從結(jié)構(gòu)分析、抗震設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)3個(gè)方面總結(jié)了一些設(shè)計(jì)工作中碰到的問(wèn)題及解決方法。

1 工程概況

六盤(pán)水鳳凰臺(tái)住宅項(xiàng)目位于貴州省六盤(pán)水市鐘山區(qū)，本項(xiàng)目包括15個(gè)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(jié)構(gòu)，局部為商業(yè)裙房，車(chē)庫(kù)為建筑在多個(gè)臺(tái)地的多層框架結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目效果圖見(jiàn)圖1。本項(xiàng)目位于山坡坡地上，整個(gè)場(chǎng)地地形起伏比較大，特別是東北向坡，坡勢(shì)較大，高差為50 m左右；局部塔樓存在臨空范圍，塔樓范圍內(nèi)最大高差為6 m左右。

圖1 項(xiàng)目效果圖

項(xiàng)目所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，屬抗震一般地段，特征周期Tg為0.4 s，基本風(fēng)壓0.35 kN/m2，地面粗糙度B類(lèi)，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05?；A(chǔ)采用大直徑旋挖嵌巖灌注樁承臺(tái)加局部筏板基礎(chǔ)。

本工程的土層順序依次為素填土、紅黏土、基巖。擬建場(chǎng)地范圍內(nèi)及附近地層為石炭系大唐組第二段(C1d2)地層，場(chǎng)地范圍內(nèi)無(wú)活動(dòng)性斷層通過(guò)，巖層整體呈單斜產(chǎn)出，主要分布為中風(fēng)化石灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀8°～12°， 傾向∠26°～30°，受區(qū)域地質(zhì)應(yīng)力影響，場(chǎng)區(qū)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，局部巖層表面為強(qiáng)風(fēng)化巖體，巖體較破碎。中風(fēng)化巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度為37.16 MPa,承載力特征值為4 000 kPa，可作為高層主體結(jié)構(gòu)樁基持力層。

2 結(jié)構(gòu)形式及接地結(jié)構(gòu)

山地建筑結(jié)合山地地形條件，采用合理的結(jié)構(gòu)接地類(lèi)型，如掉層、吊腳、附崖和連崖等結(jié)構(gòu)形式(見(jiàn)圖2)[2]，最常見(jiàn)的是掉層結(jié)構(gòu)和吊腳結(jié)構(gòu)。掉層結(jié)構(gòu)是指最高接地點(diǎn)以下分層設(shè)置樓面結(jié)構(gòu)并與下接地端相連的結(jié)構(gòu)形式，它可利用坡地高差形成的空間。吊腳結(jié)構(gòu)是采用了長(zhǎng)短不同的樁或柱將坡地架空成平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式。

圖2 山地建筑結(jié)構(gòu)形式

2.1 塔樓及地庫(kù)結(jié)構(gòu)形式

地下室按結(jié)構(gòu)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(xiàng)目塔樓整體采用剪力墻結(jié)構(gòu)，地下室部分采用掉層結(jié)構(gòu)；純地下室部分(地庫(kù))采用框架結(jié)構(gòu)，屬于吊腳結(jié)構(gòu)。塔樓有掉層結(jié)構(gòu)，存在天然的結(jié)構(gòu)不規(guī)則項(xiàng)，為避免結(jié)構(gòu)的不規(guī)則項(xiàng)超限，在塔樓范圍和純地庫(kù)范圍設(shè)置結(jié)構(gòu)縫斷開(kāi)(圖3)，塔樓可作為單獨(dú)的結(jié)構(gòu)單元，避免了多塔、質(zhì)心偏置而帶來(lái)的特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。圖4為設(shè)計(jì)的斷縫剖面大樣，變形內(nèi)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(biāo)高計(jì))，房屋總高度97.05 m。18#塔樓位于小區(qū)北側(cè)，原始地形有高差，考慮到施工進(jìn)度的因素，為減少開(kāi)挖，在塔樓平面范圍靠北側(cè)采用支護(hù)方案設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)(圖6)。塔樓和北側(cè)臨街商業(yè)設(shè)縫斷開(kāi)，與南側(cè)車(chē)庫(kù)設(shè)縫斷開(kāi)，南側(cè)車(chē)庫(kù)底板與18#塔樓底板有6.0 m高差，采用削坡的形式，并與車(chē)庫(kù)部分的吊腳結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)整體分析

山地建筑結(jié)構(gòu)因存在掉層，故嵌固端不在同一水平面上，實(shí)際上這也是一種豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，需按照規(guī)范的豎向不規(guī)則指標(biāo)進(jìn)行控制，并且采取適當(dāng)?shù)拇胧┍ＷC底部構(gòu)件的延性，主要從以下幾方面進(jìn)行。

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算高度

本項(xiàng)目18#塔樓為掉層結(jié)構(gòu)，超過(guò)80%的豎向抗側(cè)力構(gòu)件位于上接地，故房屋的計(jì)算高度自上接地端算起，為97.05 m。

3.2 地震作用計(jì)算

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1.4條，項(xiàng)目所在地的水平地震影響系數(shù)最大值(αmax)按表1所示。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.1.8條規(guī)定，當(dāng)在巖石陡坡等不利地段建造時(shí)，除保證在地震作用下的穩(wěn)定性外，還應(yīng)估計(jì)不利地段對(duì)設(shè)計(jì)的影響，其水平地震影響系數(shù)最大值應(yīng)乘以增大系數(shù)。按照4.1.8條文說(shuō)明來(lái)確定增大系數(shù)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(shù)最大值修正為λαmax。

表1 水平地震影響系數(shù)最大值計(jì)算

3.3 結(jié)構(gòu)性能控制

根據(jù)《山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4]中對(duì)高層剪力墻結(jié)構(gòu)、山地掉層結(jié)構(gòu)的規(guī)定，本項(xiàng)目塔樓計(jì)算分析控制指標(biāo)如下：①掉層結(jié)構(gòu)上接地層的豎向構(gòu)件的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1；②掉層及上接地層掉層范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度不宜小于上一層相應(yīng)結(jié)構(gòu)部分的抗側(cè)剛度；掉層層間受剪承載力不小于上層相應(yīng)部位豎向構(gòu)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(zhuǎn)位移比限值滿足抗震規(guī)定；④結(jié)構(gòu)振型數(shù)應(yīng)保證參與質(zhì)量之和不小于總質(zhì)量的95%；⑤結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足抗傾覆計(jì)算要求，抗傾覆系數(shù)不小于1.5；⑥掉層結(jié)構(gòu)上接地端樓蓋和上接地層樓蓋的框架梁按偏拉構(gòu)件設(shè)計(jì)構(gòu)造；⑦關(guān)鍵構(gòu)件控制：接地層及上接地層豎向構(gòu)件屬于剛度突變的薄弱部位，按中震彈性進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖7 剛度、受剪承載力計(jì)算簡(jiǎn)圖

4 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)及構(gòu)造

對(duì)山地建筑而言，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)一般是從概念設(shè)計(jì)、計(jì)算及構(gòu)造措施這3方面來(lái)進(jìn)行。其中，概念設(shè)計(jì)指的是對(duì)山地建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震性能進(jìn)行總體把控，一般是通過(guò)控制山地建筑結(jié)構(gòu)的高度、高寬比、平面及豎向規(guī)則性等方面來(lái)實(shí)現(xiàn)，而平面和豎向不規(guī)則性通常是通過(guò)對(duì)剛度比、強(qiáng)度比以及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)等指標(biāo)進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行實(shí)際計(jì)算時(shí)通常會(huì)存在2個(gè)問(wèn)題：一是如何按照實(shí)際計(jì)算，二是計(jì)算結(jié)果是否適應(yīng)山地建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。為了加強(qiáng)山地建筑的抗震設(shè)計(jì)，必須要在控制常規(guī)地形下建筑指標(biāo)的基礎(chǔ)上結(jié)合山地建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行修正。具體來(lái)說(shuō)，在山地建筑的抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)主要考慮以下問(wèn)題。

1)在概念設(shè)計(jì)中，首先，需要考慮如何確定結(jié)構(gòu)高度界定中的起算點(diǎn)(最高接地點(diǎn)、最低接地點(diǎn)、平均高度)。根據(jù)山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及掉層結(jié)構(gòu)計(jì)算房屋高度時(shí)，當(dāng)大多數(shù)豎向抗側(cè)力構(gòu)件嵌固于上接地端時(shí)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(jì)算結(jié)構(gòu)嵌固端，由于山地建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是其底部約束不在同一水平面上，因此其嵌固點(diǎn)也應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際而選擇不同的高度來(lái)建立模型。

2)在地震力計(jì)算中，需要模擬出真實(shí)的地震力作用。由于山地建筑結(jié)構(gòu)要與地形環(huán)境相適應(yīng)，所以容易形成單側(cè)、兩側(cè)或三側(cè)帶約束的地下室，而約束邊的土層性質(zhì)往往直接影響其在地震作用中的受力特點(diǎn)。本項(xiàng)目為避免側(cè)向約束的不確定性，采用結(jié)構(gòu)外支護(hù)樁，加上塔樓與地庫(kù)分縫脫開(kāi)的措施，一是避免在結(jié)構(gòu)上同時(shí)考慮土的作用，二是避免了多塔、質(zhì)心偏置帶來(lái)的特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，這樣一來(lái)結(jié)構(gòu)的橫向作用僅考慮地震作用和風(fēng)荷載。

3)在抗震構(gòu)造上，由于山地建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能需要使抗震構(gòu)造具有獨(dú)特性，因此應(yīng)當(dāng)在常規(guī)抗震規(guī)范的基礎(chǔ)上根據(jù)山地建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際抗震性能進(jìn)行加強(qiáng)，并對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行有針對(duì)性的分析設(shè)計(jì)。本工程對(duì)掉層部分采取抗震等級(jí)提高一級(jí)的抗震措施；接地端以上與構(gòu)件、接地端以下與樁的連接均按抗震等級(jí)提高一級(jí)進(jìn)行相關(guān)構(gòu)造；接地端底板及上接地端樓蓋均滿足作為嵌固板的有關(guān)要求，同時(shí)板內(nèi)設(shè)置雙層雙向鋼筋，并按抗震錨固、搭接要求構(gòu)造，滿足傳遞地震水平力功能。

5 主樓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

因山地高層建筑具有基礎(chǔ)埋深淺甚至沒(méi)有埋深的建造特性，建造時(shí)坡地土體的穩(wěn)定性及建筑的抗傾覆、抗滑移穩(wěn)定性設(shè)計(jì)尤為重要。

5.1 抗傾覆穩(wěn)定性

抗傾覆設(shè)計(jì)的主要理念是依據(jù)建筑抗震設(shè)防水準(zhǔn)之“大震不倒”原則，《山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，7度區(qū)罕遇地震下的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)大于1.5，抗傾覆驗(yàn)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(shù)，7度區(qū)取1.5。

本項(xiàng)目18#樓罕遇地震下抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果如表2、表3所示，分別采用PKPM軟件和手動(dòng)方式計(jì)算復(fù)核結(jié)構(gòu)在大震下的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，兩者結(jié)果保持一致，均不小于1.5，滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求。其中：G為結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值；B為計(jì)算方向上結(jié)構(gòu)寬度；Mov為傾覆力矩，由地震力計(jì)算得出，本項(xiàng)目土側(cè)壓力為0；MR為抗傾覆力矩，由結(jié)構(gòu)自重形成抵抗矩。軟件計(jì)算結(jié)果顯示，Y向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的抗震薄弱方向，大震下基底零應(yīng)力區(qū)的范圍小于50%，另計(jì)算小震下基底零應(yīng)力區(qū)的范圍小于15%，均能滿足結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定要求。

表2 抗傾覆計(jì)算結(jié)果(PKPM計(jì)算)

表3 抗傾覆計(jì)算結(jié)果(手動(dòng)計(jì)算復(fù)核)

5.2 抗滑移穩(wěn)定性

高層建筑基礎(chǔ)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(cè)面土的抗力[5]。本項(xiàng)目塔樓經(jīng)分析沒(méi)有地下室埋深，周邊土體對(duì)建筑本身沒(méi)有抗力，基底的摩擦力由于樁基的存在故不能考慮，故本項(xiàng)目抗滑移力僅考慮樁基的水平承載力。

本項(xiàng)目18#樓基礎(chǔ)采用大直徑灌注樁+承臺(tái)筏板的形式，如果在罕遇地震的瞬時(shí)作用下樁的水平承載力不足會(huì)導(dǎo)致樁體破壞，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞，且不可恢復(fù)，因此本項(xiàng)目采取以下2種計(jì)算方法及構(gòu)造措施來(lái)保證樁基的承載力。

1)在豎向荷載計(jì)算下完成布樁后，根據(jù)樁基規(guī)范計(jì)算每根樁的單樁水平承載力特征值，采用軟件計(jì)算罕遇地震下的基底剪力傳遞給每根樁的水平剪力，通過(guò)比較兩者確定樁基的數(shù)量是否滿足要求。經(jīng)驗(yàn)算，本項(xiàng)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(xiǎn)滑裂面，設(shè)計(jì)上為保證樁基穩(wěn)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(jìn)行計(jì)算分析，并按照框架柱的要求設(shè)計(jì)配筋，該計(jì)算基于罕遇地震下的樁抗彎不屈服和抗剪彈性進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，以保證樁在強(qiáng)震下的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

在本文案例的18#塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為規(guī)避結(jié)構(gòu)的不規(guī)則項(xiàng)，避免因掉層結(jié)構(gòu)帶來(lái)的特別不規(guī)則情況，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)縫的措施，將塔樓與周邊純地庫(kù)范圍設(shè)縫脫開(kāi)，并設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)縫的大樣做法。

對(duì)18#塔樓地下室部分采取了掉層結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)支護(hù)樁及削坡的巖土工程措施，使山地坡體與主體結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生相互作用。在結(jié)構(gòu)的整體分析設(shè)計(jì)上，根據(jù)規(guī)范的要求及結(jié)構(gòu)性能要求，進(jìn)行了一系列計(jì)算以分析結(jié)構(gòu)性能，著重討論了與常規(guī)建筑不同掉層的范圍剛度計(jì)算、受剪承載力計(jì)算、位移比計(jì)算等，計(jì)算結(jié)果表明設(shè)計(jì)滿足山地結(jié)構(gòu)的性能要求。

對(duì)山地建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，給出了在抗震概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算高度、地震力計(jì)算和抗震構(gòu)造措施上的一些問(wèn)題處理方法和應(yīng)對(duì)措施。

對(duì)山地高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，由于山地地形的特殊性，天然存在基礎(chǔ)埋深不足的問(wèn)題，根據(jù)規(guī)范及一些文獻(xiàn)的研究，重點(diǎn)分析結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)埋深不足時(shí)在罕遇地震下的整體抗傾覆和基礎(chǔ)抗滑移的穩(wěn)定性。計(jì)算了本項(xiàng)目18#樓結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的整體抗傾覆性能滿足要求；對(duì)樁基進(jìn)行了大震下性能設(shè)計(jì)并計(jì)算樁基水平承載力，計(jì)算結(jié)果滿足抗滑移的要求及樁基安全要求。