某带下掉层坡地建筑结构设计

王炳坤

(福建晟业建筑设计有限公司 福建福州 350028)

某带下掉层坡地建筑结构设计

王炳坤

(福建晟业建筑设计有限公司 福建福州 350028)

带下掉层坡地建筑，建筑物四周土体约束不均衡，与常规的建筑受力上差异较大。此类坡地建筑受场地和土体的影响，结构易产生较大扭转效应，结构呈现天生不规则性。文章结合工程实例，考虑坡地建筑设计中的抗震概念设计、崁固端的选择、基础埋深计算以及结构模拟计算等问题，通过概念设计和受力分析对带下掉层坡地建筑结构设计进行探讨并提出解决方案。

带下掉层坡地建筑；基础埋深；崁固端；概念设计

0 引言

随着城市建筑用地紧张和绿色建筑的概念广泛运用，坡地建筑逐渐成为一种趋势。但大多数坡地建筑由于场地的高低变化，结构崁固端存在多个平面，从而底部竖向构件约束不在同一水平面上，结构呈现明显不规则性。同时，建筑四周土体不均衡，边坡对结构安全的影响，地基的不均匀性等都给结构带来安全隐患。

因此，在设计过程中应予以重视，结构宜均匀布置，模拟计算应选择符合实际的力学模型。本文结合具体的工程实例，通过概念设计和受力分析对某带下掉层坡地建筑结构设计进行探讨并提出解决方案。

1 工程概况

该工程为4层框架结构，局部一层下掉层，建筑高度17.800m。拟建场地位于西藏昌都市察雅县，根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)规定，拟建场地抗震设防烈度为7度，地震加速度为0.15g，地震分组为第三组，场地类别为II类，抗震设防类别为重点设防，抗震等级为二级[1]。拟建场地位于麦曲河右侧阶地地带，未出现滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害，根据地勘报告，建议以第②层粉质粘土层为持力层，拟采用独立基础。建筑剖面示意图如图1所示。

图1 建筑剖面示意图

2 抗震概念设计

坡地建筑建造在抗震不利地段时，根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)规定，应估计不利地段对设计地震动参数可能产生的放大作用，其水平地震影响系数最大值应乘以1.1～1.6倍的增大系数[1]。该工程根据规范公式：λ=1+ξ×α，求得λ=1.20，水平力影响系数最大值为0.12×1.20=0.144，故该工程地震影响系数最大值取0.14。

汶川大地震震害表明，坡地建筑中的掉层结构和吊脚结构震害严重，主要由于结构竖向构件不连续造成质心偏置，结构在地震作用下扭转效应明显，极易在结构底部形成薄弱层[2]，若不采取措施，将会使建筑造成严重破坏。故该工程采取以下有效措施：

(1)±0.000m标高设置梁板，板厚取160mm，形成数倍于上部的刚度，对上部结构有一定的约束作用。楼板采取双层双向拉通配筋，并满足每层每个方向的配筋率不小于0.25%。同时，基础面标高设置基础梁，在±0.000m标高和基础面共形成两层刚度。

(2)加大掉层柱断面尺寸，掉层柱配筋不小于上一层柱对应纵向钢筋的1.1倍，并对下掉层柱箍筋加密。若结构中有穿层柱，应加大穿层柱截面，穿层柱纵筋应贯穿，箍筋全高加密。

(3)主体结构不宜兼作挡土墙。当主体结构兼作挡土墙的时候，在土体一侧挡土墙垂直方向设置钢筋混凝土肋墙，肋墙间距≤3m，与挡土墙同高，肋墙厚度300mm，梯形肋墙底部长度1200mm,上部长度100mm。肋墙用于减小土体压力对主体结构的不利影响，如图2所示。

(4)合理布置结构，严格控制结构的扭转位移比，使其满足规范的要求。

图2 肋墙大样图

3 结构计算崁固端设置

带下掉层坡地建筑结构设计与普通建筑均应保证基础嵌固条件的有效性，崁固端必须能够限制上部结构的位移并传递上部结构水平力。该工程为掉层结构，如图3所示，掉层部分其中一侧没有全埋入土中，该外露侧没有土体约束，掉层顶板不能作为崁固端，结构四周均有达到夯实要求土体的全埋式地下室才能作为上部结构的崁固端[3]。以基础层为崁固端，上部结构水平力通过柱和墙传给基础和基础周边土体。PKPM在模拟计算时，在设计参数中，把上接地端标高设为基础连接最大柱底标高，或设置柱底支座，否则程序会显示悬空柱。此两种方式设置完后，PKPM程序能够识别崁固端的位置以及首层柱的计算长度。

图3 下掉层结构(设置上接地端楼盖)

4 基础设计

带下掉层坡地建筑，因土层变化较大，或出现阶梯型土层等，岩层大多呈现不稳定性，基础或处于边坡边缘，相应地基承载力有可能降低，场地对建筑约束的不均匀是造成结构出现扭转的主要原因之一。因此，工程设计时，在基础埋深满足规范要求的前提下，不仅应进行地基承载力验算，还应进行边坡稳定性验算，对不满足要求的天然坡地进行边坡处理或设置永久性护坡。

4.1 基础埋置深度计算

坡地建筑地面多数不在一个平面上，常会出现掉层结构和吊脚结构，场地或基础土层出现阶梯式，这样基础便会出现较多高差。根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)规定，在抗震设防区，天然地基上的箱型和筏型基础其埋置深度不应小于建筑物高度的1/15；桩基不应小于建筑物高度的1/18[1]。建筑物高度应以室外地面最低点至房屋主要屋面为标高。该工程室外地面最低点为-4.600m，主要屋面板标高为13.200m，故建筑物高度H=13.200m+4.600m=17.800m,基础埋深d=H/15=17.800/15=1.187m,结合地质勘察资料，以第②层粉质粘土层为持力层，采用独立基础，基础埋深1.5m。

该工程结构底部标高和土层均为阶梯式，掉层部分基础底标高约为-6.200m，上接地层基础底标高为阶梯式，分别为-3.500m、-4.000m、-4.600m。坡地基础出现较多高低差时，相邻基础间距不小于基础底高差的1～2倍，即L≥(1～2)ΔH。逐步放坡的同时，适当提高基础的刚度，以免发生不均匀沉降。

4.2 地基稳定性验算

对位于边坡上的基础，应进行地基承载力和稳定性验算。该工程以土质边坡为例，当坡高小于8m, 坡角β小于45°,垂直于坡顶边缘线的基础底面边长小于或等于3m，条形基础：a≥3.5b-d/tanβ[4]； 矩形基础：a≥2.5b-d/tanβ[4],且a不小于2.5m时，可按平地地基进行承载力验算，否则应进行地基稳定性验算。其验算公式为：MR/MS≥1.2[4],其中，MR为抗滑力矩，Ms为滑动力矩。边坡稳定性不满足要求时应调整基础平面位置和埋深或对边坡进行处理，以满足设计要求，如图4所示。

图4 边坡上基础示意图

5 挡土墙设置

坡地建筑设置钢筋混凝土挡土墙分为两种方式，一种与主体结构脱开设置，另一种与主体形成一个整体。

(1)挡墙与主体脱开。单独设置挡墙，挡墙护坡施工完毕方可进行主体结构的施工。优点是结构受力明显，主体结构不再承受土体水平力；缺点是施工工期长，土方开挖大，浪费场地空间。

(2)主体结构兼作挡土墙。优点是主体同挡墙一起施工，工期可以得到保证，减少土方开挖，建筑空间使用灵活。缺点是结构受力不明显，挡墙四周土体对主体结构直接传递水平荷载，使结构底部产生较大扭转效应。PKPM计算时按近似法，土体水平荷载的1/3输入柱顶节点，2/3输入基础层节点，参与结构整体计算。在挡土墙垂直方向设置钢筋砼肋墙，用来减小土体水平力对主体结构的影响。

该工程选用主体结构兼作挡土墙方式节约土方的开挖，保证工程工期，对主体结构采取了加强掉层竖向构件截面和配筋，设置垂直于挡土墙的钢筋混凝土肋墙等措施，并严格控制结构扭转位移比，满足规范要求，保证主体结构安全。

6 结语

坡地建筑依山而建，充分利用自然与坡地资源，使人、建筑和大自然和谐统一。但同时，坡地建筑呈天生不规则性，结构受力不均衡，扭转效应明显，抗震性能较差。这须在设计过程中应特别注意的问题。本文对坡地多层建筑结构设计提出以下4点建议：

(1)从抗震概念设计出发，合理布置结构，控制扭转位移比；增大地震水平力影响系数，考虑不利地段对结构的影响；增强掉层部分结构竖向构件的刚度，加强配筋。

(2)合理选择结构计算崁固端，并增设地面层梁板，使其形成一定的约束作用。

(3)控制基础的埋深，当无法达到规定的埋深时，应进行抗滑移和抗倾覆稳定性验算，并采用抗拔桩、抗拉锚杆等增加抗倾覆能力。房屋高度应从室外最低点起算，基础底标高宜设置在同一水平面上，阶梯相邻基础间距不小于基础底高差的1～2倍，逐步放坡。

(4)挡土墙设置，与主体结构整体计算时，须把土体水平荷载输入柱节点，同时，在垂直挡土墙方向设置钢筋混凝土肋墙，用来抵挡一部分土体传给主楼的水平力。

[1] GB50010-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 王丽萍，李英明，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(6):822-826.

[3] 林功丁.结构崁固端的确定及相关设计要点[J].福建建筑，2015.

[4] GB50007-2011 建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

Thestructuraldesignforaslopebuildingwithbasement

WANGBingkun

(Fujian ShengYe Architectural Design Co., Ltd.,Fuzhou 350028)

Slope building with basement, the restriction of the soil around the building is not balanced, and the normal building stress difference, such slope construction is affected by field and soil structure, easy to produce large torsion effect, showing irregular natural structure.Combining with the project examples, consider the seismic conceptual design, the architectural design of the slope with the fixed end of the selection, foundation depth calculation, simulation calculation and structural problems, and through the force analysis of the conceptual design of building structure design of slope belt hanging layer was discussed and solutions were put forward.

Slope building; Depth of foundation; The constrained part; Concept design

王炳坤(1983.11- )，男。

E-mail:wbk2007@163.com

2017-10-15

TU3

A

1004-6135(2017)12-0028-03