某在建坡地建筑结构设计分析

王 博

(厦门合道工程设计集团有限公司 福建厦门 361004)

引 言

随着城市用地的日益减少和人们对回顾自然的渴望，坡地建筑因其依山而建，天、地、建筑很好的结合在一起，充分利用自然与坡地资源，使坡地建筑有别于其他建筑，形成独特的建筑风格，近些年来备受都市人们的青睐。对于结构设计来说，坡地建筑有别于平地建筑，结构设计上存在一些特殊性。本文通过具体工程实例，对坡地建筑的地震影响系数的放大系数、挡土墙设计及上部结构设计等问题进行探讨。

1 工程概况

本工程为三层框架结构，建筑高度约11.00m。拟建场地位于福建省漳州市，根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011－2010)[1]规定，拟建场地抗震设防烈度为7度，地震加速度为0.15g，场地设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅱ类。本场地地势较开阔，拟建场地大多都处于残丘缓坡地带，地貌有一定起伏，场地范围及周边未见滑坡、崩塌、泥石流、地陷等不良地质现象，地勘报告建议采用天然基础，以残积粘性土层或粉质粘土层作为基础持力层，建筑单体剖面图(图1)。

图2 λ计算简图

2 地震影响系数放大系数的确定

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011 －2010)[1]第 4.1.8条规定:当需要在条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石的陡坡、河岸和边坡边缘等不利地段建造丙类及丙类以上建筑时，除保证其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，其水平地震影响系数最大值应乘以增大系数。其值应根据不利地段的具体情况确定，在1.1～1.6范围内采用。

本建筑场场地地势为"波浪形"山系，起伏角度较为平缓(图3)。由东偏北至西偏南黄海高程渐次降低，根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011－2010)第4.1.8条规定及条文说明，取以下两个不利位置进行计算，计算公式为:λ=1+ξα

α:局部突出地形地震动参数的增大幅度。(H为突出地形的相对高差，L为场地最近点距其与大地形交点的长度)

ξ:附加调整系数。(H为突出地形的相对高差，L1为场地突出台地边缘的距离)

H:突出地形的高差。(鉴于模型计算时地震起算点均取在建筑最底层地面以下，故H值计算时均按建筑最底层场地开挖后地面标高为标准)

图3 建筑单体黄海高程示意图

(1)第一点计算:根据地形图标高尺寸，整平后场地最高标高相对于黄海高程约为99.35m，场地所在大地形较低点标高相对于黄海高程约为67.00m。该单体距离低点的平面长度尺寸约为164.5m，可计算出其坡降角度的正切值为:(99.35－3.00－67.00)/164.50=0.178，即H/L小于0.3。(计算地震作用时从最底层地面标高选取，考虑底层3.00m高度)该部位突出地形的高度约99.35－3.00－67.00=28.55m，大于25m，故α值取0.3;建筑场地各栋建筑均“依山而建”，为解决小区通车路线的坡度合理性，初始设计时即考虑将各建筑单体标高依照山坡走势进行设计，未设置明显“局部突出台地”，整个场地内单体建筑场地离突出台地边缘的距离约为1～2m，故L1/H小于2.5，附加调整系数ξ取1.0。

(2)第二点计算:其中南侧单体虽然地面标高非整个场地最高点，但考虑到其距离大地形最低位置较近，该点相对其它点较为不利。此部位整平后场地最高标高相对于黄海高程约为83.75m，场地所在大地形较低点标高相对于黄海高程约为67.00m。该单体距离低点的平面长度尺寸约为35m，可计算出其坡降角度的正切值为:83.75－3.00－67.00/35=0.393，即H/L位于0.3～0.6之间，该部位突出地形的高度约80.75－67.00=14.75m，位于5～15m之间，故α值取0.2;L1/H小于2.5，附加调整系数ξ取1.0。

根据上述计算，本工程局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数在1.20～1.30之间。鉴于本工程各相似单体分别位于不同部位，现统一按最大值进行放大，取1.30，即水平地震影响系数最大值为0.12*1.30=0.156。本工程统一水平地震影响系数最大值统一取为0.16。

3 挡土墙设计

挡土墙的设计要根据地形条件及建筑的使用要求，在保证结构安全的前提下，力求经济合理，以取得较好的效益。从结构设计角度，挡土墙与建筑的结合形式大体可分为以下两种形式[2]:

(1)挡土墙与建筑主体脱开分别设计，即在建筑主体之外单独设置挡土墙。该设计方法的优点是挡土墙和建筑主体受力计算明确，建筑主体不承担挡土墙传递的水平荷载。缺点是因挡土墙与建筑主体脱开，可能会增加挡土墙的施工作业面的开挖量，施工工期变长，建筑的使用空间变小。还需注意挡土墙与建筑主体的施工时间应保持同步进行，避免后施工基础开挖时，扰动已建基础的周边土体，带来不必要的经济损失。

(2)挡土墙与建筑主体联合设计，即结合主体结构设置挡土墙。该设计方法优点是将挡土墙与主体结构形成很好的空间体系共同受力，且施工不必考虑不同施工作业面的相互影响，加快施工进度。缺点是主体结构要承受挡土墙传来的水平侧推力，此水平力在PMCAD建模计算时，只能采取近似的算法算出土体作用到挡土墙上的节点力，将节点力输入到框架柱顶节点上参与整体的结构计算，而且还需验算主体结构的抗滑移和抗倾覆是否满足要求。当有条件时，宜尽量设置几道与挡土墙垂直的墙体，能较为有效的减少土压力对主体结构产生的附加应力，但新增垂直墙体的设置，也会影响建筑的使用功能。

本工程经过与业主方的多次比选，从施工周期、造价等方面综合考虑，最终确定主体范围的挡土墙与主体联合设计。

4 建模时，柱底嵌固端如何设置

本工程建筑主体局部设有吊脚层，局部结构柱底标高不在同一标高，故在PMCAD建模时不能与常规结构设计等同，通常采用以下建模方法:

(1)逐层设置支座[3]

PMCAD建模时，根据结构柱底实际的嵌固情况，在PMCAD楼层组装中对不同标高的柱底设置支座，以实现柱底嵌固标高不同的目的。

(2)设置柱底标高

柱底嵌固端未落至下一结构层时，可在PMCAD楼层定义中修改此柱的柱底标高，所填柱底标高为下一层的结构层高减去与此柱相连的最大梁高，与此同时，还需修改设计参数中的与基础相连的最大底标高，即填入此柱下层结构层的层高，此时软件会自动判别支座，这种方法也较为常用。

本工程采用了第二种方法，按不等高的嵌固模型进行计算，笔者认为目前的程序计算此坡地建筑还存在一些局限性:(a)从PMCAD建模初期，就仅能将挡土墙传递的水平荷载近似的以节点力的形式输入到主框架上，这就使计算结构带来了一定的误差;(b)从PKPM计算结果上可以看出，在偶然偏心作用下，由于嵌固端的不同，造成楼层的最大水平位移与楼层平均位移的比值大于规范的限制很多，但是认真分析其结果不难发现，楼层的绝对位移很小(百分之几毫米)，笔者认为可忽略不计。综合以上两个方面，从安全角度出发，本工程设计时又将不等高的竖向构件落至最下面一层底标高再次计算，将两次计算的结构进行包络设计，并且加大土体背后的竖向构件及水平构件的配筋率，来弥补程序计算上的一些不足之处。

5 结语

坡地建筑不仅可以满足人们正常的居住使用，而且因其独特的空间感，给人们带来视觉、生活上的享受。近些年来，越来越多的坡地建筑受到人们的青睐，也激发了建筑师们创作的灵感。

由于坡地建筑容易形成平面、竖向不规则建筑，扭转效应明显。从历次的地震震害来看，坡地建筑的破坏均比正常平地建筑破坏严重，良好的结构抗震性能是坡地建筑设计的关键。这就需要结构设计人员要从前期方案入手，概念设计上足够重视，在设计过程中从严把握设计规范，并采取必要的抗震构造措施来加强结构的薄弱环节。

[1]GB50011－2010，建筑抗震设计规范[S].

[2]林捷.坡地建筑的结构设计分析[J].福建建材，2011，124(5).

[3]曾伟，贺渝，黄江.一种坡地建筑结构的设计方法[J].建筑结构，2013，113(3).

[4]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.