山地掉层吊脚建筑结构设计

戢志锋

中南建筑设计院股份有限公司 湖北 武汉 430071

1 工程概况

某度假建筑位于大别山主峰风景区度假村内，总建筑面积8500m2；地下2层（地下一层、夹层），层高3.9m，地下室周边无覆土，底层以下局部架空，架空层层高5.4m。地上7层，层高3.3m，大屋面标高23.100m，本建筑通过设置防震缝分隔为A、B及连廊共四个独立的结构单元，单元A自室外地面起算的建筑高度34.8m，为A级高度高层建筑，单元B自室外地面起算的建筑高度19.3m，为多层建筑。单元A、单元B及连廊均采用钢筋混凝土框架结构。连廊为建筑屋面与市政道路间连接通道。

本工程于2015年12月开始设计，设计时尚无《山地建筑设计标准》可供参考，设计中参考2013年重庆市建设委员会发布的《重庆市住宅建筑结构设计规范》（DBJ50***，征求意见稿）。

因本工程场地为山地，建筑依山就势而建，造成单元A框架柱在不同标高嵌固，形成掉层或吊脚结构。

单元A除遵循普通高层建筑框架结构设计相关规定外，还结合《建筑抗震设计》（GB50011-2010）、《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）中与山地建筑相关的规定，并参考《重庆市住宅建筑结构设计规范》（DBJ50***，征求意见稿）中与山地建筑结构相关的规定进行设计，针对山地建筑结构不等高嵌固等具体问题，采取特殊的结构措施，确保结构安全。具体详见下文。

2 地基基础及边坡稳定

根据岩土勘察单位二〇一五年六月提供的《场地岩土工程勘察报告书（详细勘察阶段）》，应提供边坡稳定性评价和防治方案建议，边坡工程应另行设计。

根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第3.3.5条，山区建筑的场地和地基基础应符合下列要求[1]：

边坡设计应符合现行国家标准《建筑边坡工程技术规范》GB 50330的要求；其稳定性验算时，有关的摩擦角应按设防烈度的高低相应修正。

边坡附近的建筑基础应进行抗震稳定性设计。建筑基础与土质、强风化岩质边坡的边缘应留有足够的距离，其值应根据设防烈度的高低确定，并采取措施避免地震时地基基础破坏。

针对上述规定，边坡开挖和地基基础施工前，应根据岩土工程勘察报告要求对边坡进行治理，边坡施工应保证边坡稳定，在确保边坡稳定安全的前提下方可进行基础施工。

结合场地条件，本工程基础部分采用人工挖孔墩基础，部分采用柱下独立基础。岩质边坡坡度较大时，为减小开挖范围，减小基坑开挖对边坡的影响，采用人工挖孔墩基础；地势平坦且持力层埋深较浅时采用柱下独立基础，基础持力层为中风化片麻岩或微风化片麻岩，墩基承台与独立基础间设置基础联系梁，加强基础整体性。

3 地震作用

本工程场地抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.05g，建筑场地类别包括Ⅰ0类、Ⅰ1类及Ⅱ类，设计时按Ⅱ类场地计算地震作用。

根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第4.1.8条：在保证建筑在地震作用下的稳定性外，尚应估计不利地段对设计地震动参数可能产生的放大作用，本工程水平地震影响系数最大值乘以增大系数1.4[2]。

4 风荷载

本工程场地50年重现期基本风压0.30 kN/m2，10年重现期基本风压0.20 kN/m2。

根据《建筑结构荷载规范》8.2.2条,考虑地形条件的修正，设计时地形条件按山峰考虑，风压高度变化系数修正系数取值η=（2.76+1.0）/2=1.88，计算时基本风压输入值为0.564，舒适度验算基本风压输入值为0.376。计算时风荷载高度起算点取为建筑较低一侧的室外地面[3]。

5 抗震等级

《重庆市住宅建筑结构设计规范》（征求意见稿）5.1.7条规定：山地建筑结构的上接地柱、吊脚及掉层部分构件的抗震等级提高一级。本工程设计时参考上述规定，将第五结构层及其下部框架抗震等级提高至二级。

6 结构计算分析

本工程部分楼层楼板局部不连续，为考虑其不利影响，采用弹性膜及刚性板计算结果进行包络设计。

7 掉层及吊脚部分楼层侧向刚度比及层间受剪承载力控制

《重庆市住宅建筑结构设计规范》（征求意见稿）5.2.2规定：山地建筑结构楼层的侧向刚度，除满足现行相关国家标准的规定外，还应符合下列规定：

对吊脚建筑结构，应验算建筑底层以下吊脚部分的等效侧向刚度，其值与上部若干层结构的等效侧向刚度之比宜接近于1，非抗震设计时不应小于0.5，抗震设计时不应小于0.8。

对掉层建筑结构，应验算上接地层及以下部分的等效侧向刚度，其值与上部若干层结构的等效侧向刚度之比宜接近于1，非抗震设计时不应小于0.5，抗震设计时不应小于0.8。

《重庆市住宅建筑结构设计规范》（征求意见稿）5.2.3规定：当为吊脚结构时，吊脚部分层间受剪承载力不宜小于其上层相应部位竖向构件的承载力之和；当为掉层结构时，掉层层间受剪承载力不宜小于其上层相应部位竖向构件的承载力之和。

7.1 底层以下吊脚部分等效侧向刚度及层间受剪承载力验算

本工程建筑底层楼面结构标高为-7.850，结合场地条件，内侧一排柱（K轴）在此标高接地，其余柱接地标高分别为-12.100（J轴）、-13.500。形成吊脚建筑结构。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010附录E.0.3条所示等效侧向刚度比计算方法，采用ETABS进行计算复核所得底层以下吊脚部分与第二结构层等效侧向刚度比：X向为1.27，Y向为0.85[4]。

ETABS计算结果表明，底层以下吊脚部分等效侧向刚度满足要求。

根据上述5.2.3条规定，吊脚部分层间受剪承载力不宜小于其上层相应部位竖向构件承载力之和，吊脚部分与上层相应部分受剪承载力之比：X向为1.01，Y向为1.00。

ETABS计算结果表明表明，底层以下吊脚部分层间受剪承载力满足要求。

7.2 掉层部分等效侧向刚度及层间受剪承载力验算

本工程建筑第五结构层新增一排上接地柱（M轴）。参考上述5.2.2条规定，应验算五层及以下部分的等效侧向刚度。参照《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010附录E.0.3条所示等效侧向刚度比计算方法，采用SATWE进行计算， X方向等效刚度比= 1.0798，Y方向等效刚度比= 1.0857，五层及以下部分等效侧向刚度满足要求。

根据上述5.2.3条规定，掉层层间受剪承载力不宜小于其上层相应部位竖向构件承载力之和。因掉层（4层）上接地层层高相同，且掉层与其上部相应部位竖向构件截面尺寸、配筋、净高等均无变化或变化较小，可满足掉层层间受剪承载力不小于其上层相应部位竖向构件承载力之和的要求。

8 层间位移角

为准确计算结构上接地层层间位移角并复核其是否满足规范规定，分别读取SATWE计算所得结构在X、Y方向地震作用下（考虑双向地震作用）的位移简图，对上接地层（5层、7层）柱采用上端节点位移减去下端节点位移计算其相应层间位移，并用层间位移与相应柱高度相比计算其层间位移角。经计算，上接地层5层X向最大层间位移角为1/1760，Y向最大层间位移角为1/810；上接地层7层X向最大层间位移角为1/1015，Y向最大层间位移角为1/658。计算结果表明，上接地层层间位移角均小于规范1/550的限值，且层间位移角最大值所在节点处框架柱均为上接地柱。

9 扭转效应

因柱底不等高嵌固，山地建筑存在较大的横坡向（对本工程为X向）扭转效应，应合理控制结构扭转位移比（包括楼层扭转位移比、层间扭转位移比）。

本工程SATWE分析计算结果表明，结构扭转效应在上接地层表现尤为突出。 上接地层（5层、7层）在X+偶然偏心地震作用规定水平力下的楼层最大位移比分别为1.4、1.45，与普通楼层相比存在较为明显的扭转效应。上接地柱在水平荷载作用下承受的扭矩明显大于其余框架柱。因此，因此设计时对上接地柱加强配筋构造，纵筋在计算结果基础上适当放大，箍筋全高加密并确保最小体积配箍率不小于1.2%。

10 结束语

本工程存在掉层及吊脚，结构平面规则性及竖向规则性的判定是结构设计中重要考虑的因素，通过等效侧向刚度及层间受剪承载力验算以及扭转效应计算，采取对掉层部分竖向构件的加强的措施，很好地控制了结构的规则性，于2016年8月结构封顶，结构建成后沉降观测结果等各项指标良好，结构设计中的处理措施供山地建筑设计参考。