山地建筑结构抗震设计特殊性探讨

靳金堂

上海析越建筑设计咨询有限公司 上海 201812

正文：

1 引言

山地建筑依山而建，坡地或台地地基造成了其不同于平地建筑结构的复杂性，使其具有先天竖向不规则性的特点，现行规范的控制指标和计算方法对其并不完全适用，山地建筑结构抗震设计具有特殊性。

相比于平地建筑，山（坡）地建筑结构最大的特点是接地方式的复杂多样性，即结构竖向构件约束部位不在同一个水平面上，其常见的接地方式主要有：吊脚、掉层、附崖、连崖等，如下图所示，或多种形式的组合并用。

图1 吊脚结构

图2 掉层结构

图3 附崖结构

图4 连崖结构

2 山地建筑结构抗震设计特殊问题

本文主要从概念设计和抗震计算两个方面探讨山地建筑结构抗震设计的特殊性。

2.1 概念设计特殊问题

由于山地建筑结构接地方式的复杂性，建筑高度、高宽比、扭转位移比、承载力比和刚度比等概念设计控制指标，对其存在一定的不适用性和特殊性。

复杂的接地方式会影响山地结构的动力特性和抗震性能，如掉层结构一般在上接地层接地部分率先屈服[1]，吊脚结构不等高柱形成的架空层易产生短柱，应从概念设计和抗震措施角度出发，尽量避免或减小短柱及上刚下柔的软弱层对整体结构的不利影响。

2.1.1 建筑高度判定问题

建筑高度的取值关系到不同材料、不同结构形式的适用性和抗震等级的选取问题，是关乎结构安全和经济性的重要参数。参照重庆住宅规范，山地建筑的建筑高度一般取较低一侧的室外地面到主要屋面的高度，且不大于竖向构件（含上部竖向转换构件）的真实高度。

2.1.2 指标适用性特殊问题

掉层结构一般属于竖向不规则结构，现行规范中控制竖向不规则的指标——层间受剪承载力比和层刚度比并不适用于掉层部分及上接地层，但对接地形式影响较小的二层及以上结构，受力性能仍类似于普通平地结构，仍需满足规范的相关要求。

连崖结构由于接地方式的特殊性，剪重比的统计方法不同于普通悬臂高层建筑。剪重比又称剪力系数，指水平地震作用的楼层剪力与重力荷载代表值之比，而各楼层的重力荷载代表值是引起连崖结构地震剪力的原因，且地震剪力向坡顶和坡底两端支座传递。因此，连崖结构的剪重比是否满足规范要求，可通过计算坡底和坡顶两支座点的楼层剪力标准值之和，及其间各楼层重力荷载代表值之和的λmin倍，并取两者的比值来判断[2]，若比值大于1，则剪重比满足规范要求。其中λmin为楼层最小地震剪力系数，取值见《抗规》表5.2.5，对于竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以1.15的增大系数。

2.1.3 嵌固端的特殊性问题

山地建筑结构一般取各接地端为嵌固端，嵌固端通常不在同一水平面上，但也不尽然，如掉层结构上接地端以下掉一层的侧向刚度不小于相应范围上接地端以上一层侧向刚度的2倍时，应尽量选择上接地端楼盖或掉层地下室顶板作为嵌固端，可有效减小房屋计算高度和设计难度，且经济效益显著，嵌固端以上结构可类似按普通平地建筑设计，并适用平地结构的各项控制指标。

嵌固端可以有多个，如连崖结构，顶部和底部均和岩石山坡基础相连，可将嵌固层设在结构较低一侧基础顶和连崖处，计算模型可简化为下部嵌固端、上部简支的两点支承方式，上支座作为不动铰支座，可有效减小连崖结构的内力和变形。

由于场地条件多变，山地建筑的嵌固端选取应针对具体项目的实际情况具体分析，进行方案优选，使结构概念、受力清晰且经济合理。

2.1.4 整体稳定性验算问题

在风荷载或水平地震作用下，山地建筑结构的整体稳定性验算，实质是控制重力荷载产生的二阶效应不致过大，普通悬臂梁形式的平地建筑主要是通过刚重比验算来控制其等效侧向刚度的。由于接地方式的复杂性，此方法并不一定完全适用于山地建筑。如连崖结构的在水平地震作用下的变形形态属于剪切型，其整体稳定性验算就不能简单地套用规范中关于刚重比的公式，而需要通过建立如下特征方程[2]，以特征值屈曲分析来验算。

其中符号说明及验算方法详见文献[2]。

2.2 地震作用计算问题

现行规范中的抗震分析方法是基于悬臂梁结构形式，且各嵌固端输入相同地震激励的前提下进行的，主要为反应谱法和单点地震时程分析法。但山地建筑结构由于接地方式复杂多样，基础各接地点间有高差，并受局部地形、地质影响明显，地震动输入情况较为复杂特殊，有时无法直接采用反应谱法计算地震作用。如文献[3]贵阳某山地建筑的基底嵌固于坡底，第8和9跨层转换梁嵌固于60m高的山坡顶端，抗震计算采用了在坡底和坡顶转换部位施加多点地震激励的方法。按《抗规》第4.1.8条规定，坡顶支承处的地震激励要考虑局部突出地形对地震动参数的放大作用，另外尚应估算山坡自身的动力特性对于地震波传递和上部结构的影响[1]。

对岩质边坡的多点地震激励输入，由于基岩的刚度较大，经评估分析，坡顶的地震加速度峰值较坡底放大较多，而位移时程则基本相同，因此，进行地震时程分析时，坡顶和坡底的地震激励可以输入有幅值差但无相对差的地震加速度时程波进行地震作用分析。但多点地震激励时程分析法的实际操作会遇到很大困难，有时需进一步简化计算。

3 山地建筑结构基础设计特殊问题

山地地基一般呈两面性：①基岩承载力高、稳定性好，基础设计时应优化基础形式，充分利用岩石承载力高的特性，合理降低基础造价；②高边坡、深填方等问题是山地建筑基础设计的特点和难点。鉴于此，并考虑到大型机械施工受限等特点，山地建筑通常采用的经济且合理的基础形式有：天然基础、人工挖孔墩（桩）基础、冲孔灌注桩基础。天然基础应考虑相邻基础的高差，宜做到高差/净距＜2.0（强风化1.5、中风化1.0），满足稳定性要求，必要时可采用毛石混凝土回填、分台开挖等方式处理。当持力层较深，并需要穿越较厚的岩土层时，可采用冲孔灌注桩基础。

关于山（坡）地建筑的基础埋深，岩石地基上高层建筑基础埋深可不用满足1/15和1/18建筑高度的要求，但应满足抗滑移和抗倾覆稳定性要求，当自身抗滑移不满足时，可采取逆坡、抗剪键或锚杆（索）等措施。而对土质地基仍然要满足基础埋置深度的要求。

山（坡）地建筑的基础选型和持力层选取问题要比平地建筑复杂很多，通常同一结构单元宜采用相同的基础形式，但岩质边坡可考虑采用天然基础和桩基础并用的组合形式，一般也可达到较好的经济效果，且由于基岩刚度大，沉降一般都能满足要求。规范[4]第4.3.1条规定：同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上。但由于山（坡）地区岩层起伏较大、分布复杂，经沉降分析评估，必要时也可选择两种或多种不同岩、土层作为基础持力层[5]。另外，当天然基础不可避免地部分落在土层、部分落在岩层时，通常可采用的处理方法有：①采用褥垫层对与岩石表面进行处理；②梁（拱）板跨越；③采用天然基础与墩基础相结合的形式．将持力层均引至基岩上；④设沉降缝。并要评估不均匀沉降的大小和不利影响，考虑加强上部结构刚度或设置基础梁等措施。

4 支挡结构设计特殊问题

山坡地区支挡结构一般有两种设计思路：脱开和合并。脱开就是将支挡结构与主体结构脱开分别设计，此方法受力清晰明确，相互间无不利影响，且利于建筑在支挡侧增开窗井，改善通风采光条件，防水防潮。当山地建筑的地下室各边填埋深度相差较大时，《抗规》第6.1.14条的条文说明也推荐单独设置支挡结构。缺点是会增加岩石土方开挖量，工程造价相对较高，施工工期较长。

合并即结合主体结构布置挡土墙，将挡土墙和地下室外墙“两墙合一”，既可减少工程造价、缩短施工工期，又可增大空间面积。缺点是受力不清晰，应考虑主体结构、支挡结构及岩土的共同作用，支挡结构也往往会造成刚度突变、位移比增大、结构扭转效应明显，对抗震不利。另外，挡土墙内侧一般为地下室内空间，不能设置泄水孔，但可以通过在挡墙背面底部和中部设置盲沟进行排水。

脱开设计时，还应考虑支挡结构的施工空间对主体结构基础的影响，挡土墙施工需要在后侧超开挖，预留支模和操作空间，此空间会造成周围土体扰动或持力层缺失，挡土墙基础也可能会与主体结构基础碰撞冲突，因此，应尽可能减少超开挖，并采用毛石混凝土局部换填或将主体结构天然基础分台落至持力层上等避让措施。

山地建筑的高边坡意味着高成本，但高填方或大高差并不意味着一定要设置高挡墙，方案设计时应结合场地地势、地质条件，以及与建筑的平面关系，可采用放坡+矮挡墙、网格梁+矮挡墙或多级挡土墙的等组合形式，优化支挡结构，以降低工程造价。

5 山地建筑设计对施工的特殊要求

5.1 设计对基础施工的特殊要求

山地建筑天然基础施工时，经常出现实际地质条件与详勘不一致的情况，因此，进行施工勘察就显得十分必要，应对各个桩位或独立基础进行钻探测试，以期探明基底下持力层实际情况，避免出现不良地质。当基础基底开挖至设计标高，却未到持力层或存在不良地质情况时，一般有以下处理方法：①降低基底标高至持力层上；②对基底下土层采用毛石混凝土、级配砂石等置换处理；③持力层稍深时，可同时采用方法①和②；④采用墩基础，将基底引至持力层。

吊脚结构基础施工时，常会发现直接把工程桩伸出地面与框架柱混用，但由于桩基的抗弯和抗剪承载力都较低，露出地面的桩身很容易破坏，因此设计和施工时均应避免用桩替代框架柱。

5.2 施工工序的影响

山地建筑结构应重视施工工序的影响，笔者在参建的某山地项目现场发现，二级高边坡挡墙的施工工序与设计要求不符导致大量锚头脱落、锚索断裂的情况，主要原因为：后排桩墙后还未填土或压实锚索已锚固，主要影响是锚索锚固后，墙后填土难以采用大型机械压实，压实度很难满足设计要求，将导致后期沉降过大，容易剪断锚索。

6 结 论

山坡地区地质复杂多样、山势起伏多变、持力层埋藏深浅不一，均造成了山地结构设计的难度增大，设计者应充分了解和评估项目的实际地质山势对结构的不利影响，做好应对措施，确保山地建筑结构设计的安全、经济、合理。