坡地地形中多层框架结构的设计对策

李小兵 于宁 郭敏

(1.成都市成华区政府投资项目评审管理中心，四川成都 610101;2.四川师范大学工学院，四川成都 610101)

坡地建筑指在高差较大的地形地貌上修建的建筑物。由于坡地建筑顺应山坡地形层层退阶(层层接地)，造成其底部嵌固端不在同一个平面上，常见的接地处理方法有“吊脚”和“掉层”，结构上即为架空、退阶。“吊脚”的处理可以避免大面积开挖，保持坡地的原有地形，节约建造成本。“掉层”的处理可以将高边坡逐阶退台，使其变成一段段高差较小的平地，便于施工，但会造成一定量的开挖。

在西南山区坡地建筑已成为一种特色。坡地建筑结构与常规结构设计有些不同，若用常规的设计方法，要么会造成一些不必要的浪费，要么会忽略一些工程设计隐患。因此，本文依据现行设计规范，结合空间有限元软件模拟计算与结构构造措施等方面对坡地建筑结构设计相关问题展开探讨，亦为类似工程场地选择、结构选型以及基础设计做参考。

1 工程概况

成都地区某科研基地培训中心坡地客房部分依山而建，按平面布置A，B，C三区，总建筑面积约1.5万 m2，地面标高介于452.30 m～470.20 m，山坡坡脚约在 15°～30°，相对高差自东南向西北约18 m。A区地上5层，B区地上4层，C区地上3层，层高均为3.9 m。场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为7度(0.10g)，地震分组为第三组，抗震设防类别为丙类。平面图中数段长条形的建筑依山就势，由坡脚向坡顶延伸，由剖面图中可以看出主体结构的竖向构件连续不等高嵌固，且嵌固高度的差异较大。其平面图及典型剖面图见图1，图2。

图1 平面布置图

图2 剖面图

2 地层岩性和水文地质简况

该场地为丘陵地貌(三级阶地)，主要地层从上至下依次为第四系全新统人工填土层()、耕土()，第四系中下更新统冰水堆积层()及白垩系上统灌口组(K2g)泥质粉砂岩，山脚局部基岩直接出露。岩层倾角为2°～5°，较平缓，岩质坡体稳定。场区内未见不良地质作用，地质灾害不发育，场地现状稳定，无断裂、滑坡等影响工程稳定性的不良地质作用，适宜该工程建设。

场地地下水为赋存于上部土层的上层滞水和赋存于泥质粉砂岩中的基岩裂隙水。水位设防标高为442.60 m。

根据泥质粉砂岩层的风化程度将其分为强风化泥质粉砂岩层和中风化泥质粉砂岩层。

3 基础设计

坡地建筑结构的基础设计需要考虑地形、场地的影响，应同时满足地基、边坡以及建筑物整体稳定性要求。从以上地质条件可以看出，泥质粉砂岩层埋藏较浅，是理想的持力层，因此A，B，C区基础设计均以独立基础浅埋的基础形式为主，基础持力层为强风化泥质粉砂岩层，基础埋深为1.5 m。设计中同时采用如下措施来保证坡体以上岩体和建筑物的整体稳定:

1)基底标高按1∶1逐阶退台，局部可加大基础埋深，使基底应力扩散范围内无岩体临空面，保证岩层的连续性和稳定性;各楼层接地楼面独立基础之间均设置基础拉梁，并现浇120 mm厚的构造底板，以加强主体的整体稳定;局部岩土交错处采用人工挖孔墩式基础，以解决地基基础不均匀沉降。

2)为减少A，B，C三区南北两面(坡脚和坡顶)基岩临空面坡体的风化和溶蚀以及加强岩质坡体的稳定，对该项目边坡进行了专项支护设计，采用锚杆式挡土墙;坡顶挡土墙外侧设截水沟，并做好地面有组织的防水排水设计。

4 主体结构设计

建筑结构的设计包含整体概念设计、空间模型分析计算和构造措施。

4.1 整体概念设计

它是对结构整体抗震性能的总体把控，通常通过控制建筑结构的平面和竖向规则性、主体结构整体稳定性等方面来实现。

根据5·12汶川地震灾后调查情况，坡地建筑地震动放大作用明显，因此本项目水平地震影响系数需按地形条件和岩土构成做调整;A，B，C三区平面上沿地形平行于等高线布置，主体设抗震缝脱开形成三个基本规则的平面;竖向构件因层层退阶(考虑底部设备走线的架空层)最大高度也仅为4层，因此结构设计采用多层框架结构;竖向上首层平面采用“掉层”处理，营造局部平地环境消除坡地对建筑物的影响，方便施工的同时也加强了结构整体的稳定;迎坡面开挖线坡度小于30°，结合地势坡形各楼层接地框架柱需隔一跨退一阶，因而后排形成“吊脚”框架柱，不等高嵌固，在整体协同下扭转效应明显，应力易集中，设计和措施上应特别加强;边坡支护专项设计在确保岩质边坡稳定的同时，原则上与结构主体完全分离，以尽量减少楼面质心与刚心的偏离，降低结构扭转效应。

4.2 空间模型分析

结构整体的稳定、平面和竖向规则性具体指标通过控制结构的刚重比、周期比、刚度比、强度比、层间位移比等指标来实现。按概念设计，本工程模型分别采用SATWE和PMSAP空间有限元程序进行计算分析。为控制结构整体协同下的扭转效应，减少“吊脚”柱集中应力，对“吊脚”部位的接地顶层柱柱底嵌固进行了调整，如图3和图4中圈注，图3中“吊脚”部位的接地顶层柱柱底嵌固于结构3层底，图4中“吊脚”部位的接地顶层柱柱底设地梁连接，柱底嵌固于结构2层顶。模型建立时通过PMCAD的楼层组装，逐层设支座，即将开始退台的柱底设为支座。

图3 模型a

图4 模型b

1)模型参数输入时，首先按抗震规范4.1.8条规定，该项目为岩质坡地，坡降角度小于30°，建筑物凸出地形的高度H＜20 m，查规范附表2，其水平地震影响系数最大值的放大系数λ=1.1，λαmax=1.1 ×0.08=0.088。

2)从SATWE和PMSAP的总体分析结果看，图3和图4主体结构的刚重比均能满足整体稳定性要求，楼层刚度比、剪力比均能满足规范要求，无薄弱层。

从结构周期表1和楼层刚度分布表2以及楼层位移等输出文件看区别明显:

图3中，第一扭振周期与第一平动周期的比值约为0.8，以平动为主，但第一振型平动周期扭振成分占0.15;这说明，由于主体结构的地下连续不等高嵌固，其扭转效应明显，故控制其楼层位移比是合理而且必要的。经查X方向全楼最大楼层位移为14.50(发生于4层1塔)，Y方向全楼最大楼层位移为12.68(发生于4层1塔)，X方向最大层间位移角为1/665(第3层第1塔)，Y方向最大层间位移角为1/507(第3层第1塔)，Y方向最大层间位移角超出规范限值1/550。X方向最大层间位移与平均层间位移的比值为1.21(第3层第1塔)，Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值为1.52(第3层第1塔)，超出规范限值1.5，为扭转特别不规则。

图4中，第一扭振周期与第一平动周期的比值约为0.8，以平动为主，第一振型平动周期扭振成分仅占0.04，但第二振型平动周期扭振成分占0.14;这说明，“吊脚”部位的接地顶层柱柱底采用设地梁连接方式，柱底嵌固端下移至结构2层顶，结构竖向刚度也随之下移，虽增加了一定的开挖工程量，但扭转效应降低明显。经查X方向全楼最大楼层位移为14.08(发生于4层1塔)，Y方向全楼最大楼层位移为12.06(发生于4层1塔)，X方向最大层间位移角为1/562(第3层第1塔)，Y方向最大层间位移角为1/637(第3层第1塔);X方向最大层间位移与平均层间位移的比值为1.27(第3层第1塔)，Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值为1.21(第3层第1塔)，均能满足规范限值要求。

表1 结构周期模型a，b对比表

表2 楼层刚度分布模型a，b对比表

图5 框架弯矩图

图6 框架剪力图

通过模型a和模型b的综合对比分析，由于竖向的不等高嵌固，主体扭转明显。采用模型b虽降低了总体扭转效应，但仍造成“吊脚”部位的接地顶层柱内力集中且放大明显，其典型框架内力如图5和图6所圈注，这也说明，接地柱的截面和配筋均需加强，特别是接地顶层柱。

4.3 构造措施

根据坡地建筑结构自身的特点，以及其主体结构的抗震性能计算分析，按其受力、变形特点，有针对性地对薄弱部位进行加强。

首先主体混凝土强度等级不低于C30，纵向受力钢筋采用三级螺纹高强钢筋;其次设计中对“掉层”和“吊脚”接地框架柱截面均做了调整，其截面均比上层框架柱截面每边加大100 mm，其柱轴压比不大于0.8，柱纵筋直径不小于18 mm，柱箍筋沿接地层全高加密间距为100 mm;接地顶层柱、角柱除按计算要求外，柱纵筋直径不小于20 mm，箍筋直径不小于10 mm;同时规定接地框架柱相邻的楼板厚度不小于120 mm，“吊脚”接地框架柱宜采用拉梁连接;楼梯柱(短柱)按角柱及抗震规范要求。

5 结语

通过对坡地建筑项目实例结构设计的系统分析和研究，为今后的坡地建筑的场地选择、结构选型以及基础设计提供一些有益的借鉴:

1)选择建筑场地时应尽量避开不稳定的边坡和陡坎，平面布置宜平行于等高线;2)坡地建筑坡脚和坡顶遇边坡开挖形成的陡坎(临空面)，原则上其边坡支护另行专项设计，边坡支护宜与主体脱开;3)坡地建筑结构的基础设计需要考虑地形、场地的影响，应同时满足地基、边坡以及建筑物整体稳定性要求，同时也应防止地基基础不均匀沉降问题;4)应考虑坡地建筑地震动放大作用;5)坡地建筑尤其要注重概念设计，由于结构竖向刚度不规则，扭转效应明显，设计时“吊脚”部位的顶层柱、角柱要特别加强，其“吊脚”部位的顶层柱接地部分宜采用地梁连接;6)坡地建筑结构的抗震性能需要严格的抗震构造措施给予保证;7)坡地建筑应做好地面有组织防水排水设计。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.

［2］GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范［S］.

［3］GB 50021-2001，岩土工程勘察规范(2009版)［S］.

［4］刘立平，李英民，罗 建，等.边坡变形作用下坡地建筑结构的力学行为探讨［J］.土木工程学报，2013(46):63-67.

［5］王丽萍，李英民，郑妮娜，等.5·12汶川地震典型山地建筑结构房屋震害调查［J］.西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2009(41):823-825.

［6］王丽萍.山地建筑结构设计地震动输入与侧向刚度控制方法［D］.重庆:重庆大学，2010:59-85.