山地建筑结构特殊问题与研究进展核心探寻

孙家兴 肖刚 高智 梁谷平 刘毅

中国建筑第五工程局有限公司 湖南 长沙 410000

1 山地建筑结构特点分析

山地建筑结构设计的前提是了解山地建筑的结构特点，明确山地与平原等地区的区别之处，进而才能够结合实际山地特点进行建筑结构设计。

平原地区建筑结构中的基础都是嵌固在同一水平面上，建筑结构计算中可将其简化为同一水平面的结构，并根据理论力学、结构力学、弹性力学等知识进行受力分析与结构计算及其设计。山地结构因为基础不处于同一平面，即建筑结构中的基础嵌固端处于不同高度范围的地基内，因而受力分析中不能简化为同一个平面。山地中建筑与地面之间有着特殊的位置关系，这种位置关系直观表现为需要修建区域的地形会表现出忽高忽低，山地建筑结构必须要克服不利地形的影响，从而才能够保证建筑结构的安全性与稳固性。山地建筑最明显的特点就是基础嵌固具有不等高，造成接地形式存在各种不同[1]。

按照理论力学、结构力学、弹性力学等相关学科知识，基础嵌固在不等高的情况下，结构刚度在水平方向与垂直方向的分布具有不均匀性，水平方向与垂直方向受力不均匀进一步对建筑结构提出来更高要求，即结构的受力、结构变形都相对复杂，无法直接按照常规建筑结构特点进行力学分析。山地建筑结构中还会涉及顺坡方向与逆坡方向。顺坡方向，山地自身结果使得建筑结构在受力分析中不能进行简化计算，如果仍旧按照简化方法进行结构受力分析，实际整个建筑结构的受力情况与理论性计算结果具有较大的偏差性，这种情况下必然会影响整个建筑结构的安全性[2]。

有学者对山地区域内的掉层结构采取“等代柱方法”，使用等截面、不等高柱代替掉层部分与上接地层中的非接地部分，经过计算与分析，整个建筑刚度因为掉层部分无水平作用，刚度计算结果与实际地震荷载情况差异较大，即通过该简化方法计算出的结构受力不能满足建筑抗震设计要求，如果山地发生地震，很可能会发生建筑结构的破坏，并威胁人民群众的生命安全。

山地建筑在结构设计中除了考虑地形特点外，水文地质条件也是在结构设计中必须要考虑大，综合大多数山地建筑结构类型，吊脚式、掉层、附崖是常用类型，尤其是吊脚式、掉层结构较特殊。

所谓的掉层结构是在同一结构单元内存在不少于2个且不在同一平面的嵌固端，实现对山地不同高差坡度内的空间利用，掉层结构中有连接式，也有脱开式，如果结构与边坡之间没有连接关系，此时则为脱开式，需要在边坡设置独立的支护结构，同时嵌固接地的上端与下端；连接式则需要通过边坡挡墙加以连接，使其形成一个整体。吊脚式结构则需要结合山地特点，利用高度不同的柱使其形成一个平台，然后在平台上完成建筑施工与使用，视情况可采取半架空，也可采取全架空。当然如果山地整体地势较复杂，还视情况采取吊脚式与掉层式相结合，便于适应复杂的山地地形环境需要。

2 山地建筑结构实际应用研究进展

通过对山地建筑结构特点的分析，可见山地建筑在修建与设计中会受到地形的明显限制，因而需要视情况合理选择建筑结构的嵌固部位。分析现有山地建筑结构类型，如果山地结构带有地下室，上部为塔楼结构类型，此时结构嵌固过程中需要保证不同角度都有土层，便于为结构嵌固创造条件；如果带有地下室，但是土体仅存在一个面或者两个面，此时的结果嵌固部位不能选择地下室顶板，而需要独立设置支挡，保证结构主体与该面土体脱开，利用支挡承受建筑上部荷载受力，避免地下室顶板直接受力而影响到整个建筑结构的稳定性。大多数的吊脚式结构、掉层结构在结构分析与设计中，需要充分考虑底部嵌固的不等高特点，结构高度计算中需要结合嵌固情况做出分析，一般吊脚结构选择较低的接地端作为起算点，这也是基于建筑结构安全性考虑；竖向构件嵌固在上接地端时，掉层结构可从上接地端算起；不等高嵌固在结构计算中，需要考虑到首层平面质量中心与刚心不是一个点，同时上层结构抗侧刚度高于底部结构抗侧刚度。山地建筑结构在设计与计算中，尽可能结合原有地形特点，使其呈现出规则性，便于简化结构计算模型，尽可能保证理论计算与实际受力的一致性，提高山地建筑结构设计合理性与安全性，保证不同区域的嵌固效果[3]。

3 山地建筑结构特殊问题研究进展

3.1 山地地形与地基问题的研究进展

山地建筑结构在设计与施工中首先需要考虑的是地基问题，这是因为基础将建筑荷载最终传递给地基，不同的地基类型对应的基础结构、上部建筑结构也会不同。部分研究指出，山地建筑原来处于受力平衡状态，而通过山地建筑结构的施工，原有山地结构受力会发生改变，尤其是在边坡方面会产生较大影响。山地建筑结构计算以及设计中，需要充分考虑边坡稳定性，随着建筑结构的施工，建筑荷载在不断增加，其对山地所产生的荷载，尤其是边坡作用力也在不断增加，因而在建筑结构设计中需要合理确定安全系数，保证边坡的稳定性。与常规建筑相比，山地建筑中因为修建建筑而对边坡产生的影响更大，边坡可能在地震作用下、建筑结构竖向分力作用下发生破坏。也有研究指出，山地建筑结构中涉及多种力的作用，如建筑自身的荷载作用、地下水所产生的力学作用、地震力、地应力等，建筑荷载对整个建筑地基所产生的力，尤其是对边坡所产生的力学效果不能忽视。

山地中既有土体边坡，也有岩石边坡，按照土体力学知识，土体边坡自身稳定性较岩体边坡稳定性更差。建筑结构中使用的桩基对岩质或土质边坡都会产生影响，而岩土或土体自然也会对使用的支挡结构产生侧向压力，静力作用条件下，建筑桩基影响是无外倾结构面岩质边坡锚杆支挡设计时必须要考虑的，如果是在动力作用下，建筑桩基处于土质边坡内，此时受力会传递，并使动力延伸到支挡结构中。部分研究对坡地上多层建筑施工条件下的边坡稳定性予以分析，并进行针对性的挡土墙设计、做好山地建筑施工前的不良地基处理，研究认为山地地形、地基、基础应与上部结构在设计中需要全面协调，充分考虑初期阶段以及整个建筑施工完成后的荷载变化，不同边坡受力变化情况。针对部分山地建筑结构，在设计中，可针对同一结构单元选择不同的基础形式，以最佳的基础形式适应不同地形条件，经过理论与实践证实了混合结构在同一山地建筑结构设计与应用中的可行性。

3.2 荷载与作用研究进展

山地建筑结构既是荷载的产生原因之一，同时也是主要的承担荷载构件。与普通建筑相比，山地建筑结构所承受的地震荷载、风荷载等都有明显不同，结构设计中需要充分考虑。

从风荷载方面分析，山地中风荷载对建筑有加速作用，有学者通过数值模拟计算、风洞试验，迎风坡面、背风坡面受到风荷载的影响较大。不同山地建筑因为山地地形不同、高度差异等影响，不同建筑受到风荷载面积有所不同，此时在计算风荷载过程中需要考虑到风荷载作用点的不同，即风荷载起算点会因为受风面不同而不同，计算中需要综合性考虑当地的风速大小等情况，考虑风荷载对整个建筑结构的不利影响。

从地震荷载方面分析，山地相对于平原地区具有高突出特点，而在地震作用下，突出部位会无形中放大地震作用力，即在相同的地震作用下，突出地面的山体区域更易发生破坏，从2008年5.12汶川大地震后建筑破坏方面可验证这一点。根据部分学者的研究分析，山地建筑结构中坡顶、斜坡段所受到的地震荷载作用力较大，建筑结构设计中不能忽视。结合现有建筑结构设计中的抗震设计规范要求，针对局部突出地形并存在地震影响的情况，在建筑结构设计中需要通过放大系数保证结构设计的安全性，不过关于山地建筑结构中斜坡段区域内的地震放的系数并未有明确要求。国内部分学者通过二维空间模拟与计算，分析不同坡度、不同坡高情况下地震作用的影响，通过反复性验算与分析，给出岩质斜坡段上水平向、竖向在结构设计过程中地震动的放大系数。山坡地形中，地震力作用下，坡上所产生的地震荷载作用与坡下地表地震动所产生的荷载作用有明显不同。坡高以及土质自身条件会对坡上地表地震动常见参数产生影响，包括振幅、反应谱卓越周期等；如果是非岩质地基，针对此类山地建筑结构，如果约束相差高度较大，同时在建筑结构设计中采取刚性地基模型，此时地震荷载还需要考虑不同结构嵌固端的影响，嵌固端会对地震作用产生影响，使得该区域内的建筑结构安全性变差，总之，地震荷载作用过程中需要全面考虑山地土体或者岩体类型，同时明确建筑结构设计中的嵌固类型等，多角度考虑地震荷载作用的影响。

3.3 山地整体的稳定性研究进展

山地建筑结构在施工中需要以山地为基础，而部分山地本身存在滑坡风险，这种情况下，需要综合评估山地本身滑坡可能性。如果山地本身容易发生滑坡，在该区域修建的建筑结构必然安全性也会受到影响。山地建筑结构同边坡稳定性密不可分，两者互相影响，部分研究指出结构底部与建筑基础部位很容易因为风荷载、地震荷载等作用，出现边坡破坏，造成山地局部失稳。从这一方面考虑，在山地建筑结构设计中，需要从建筑自身恒定荷载、土体本身压力、风荷载、地震荷载、施工影响等方面综合分析，保障山地中边坡本身的稳定以及建筑结构施工及其建筑投入使用阶段的稳定性，多种荷载的组合形式以及其中对部分荷载放大系数的选择都是要考虑的重点。

3.4 山地建筑性能指标控制研究进展

山地建筑结构在设计过程中，需要通过多种指标的综合控制，使其满足施工与使用要求，其中抗震设计是重点。如果山地建筑结构选择的是掉层结构，此时需要注重软弱层分析，根据软弱层位置以及影响情况，加强对软弱层的结构设计，改善软弱层区域的受力状态。山地建筑结构的抗震性能方面可选择不同的刚度控制方案，按照部分学者的试验结果，掉层部分与等效底层的刚度比会影响结构的软弱层，而采用等效底层与相邻上层的刚度比同样也会影响薄弱层位置。

4 结束语

随着人们对于建筑施工以及建筑安全要求的不断提高，建筑行业对山地建筑结构研究对指导山地建筑施工与建筑设计有着重要价值，而在实际山地建筑结构研究中仍然不可避免地存在各种各样的问题，要求不同部门加大对山地建筑结构的研究，不断对建筑结构设计方案进行优化，保证建筑能符合自身要求，并最大限度适应不同地形条件，为山地区域不同建筑施工发展创造有利条件。