某学校运动场主席台挡土墙与主体结合设计案例探讨

李莉

（甘肃泓文建筑设计有限责任公司，甘肃兰州 730030）

0 引言

由于长期受人口基数、地理位置及经济发展等条件的制约，我国在教育、医疗等公共建筑领域发展一直较为缓慢，尤其西部偏远地区，教育的办学条件和办学规模已明显落后，严重制约当地教育事业的发展，已不能适应新时代下中国特色社会主义教育事业发展。近年来，随着改革开放及西部大开发战略的持续推进，人民生活水平逐步提高，教育重视程度逐渐提高，政府投资逐渐向西部转移。但受规模限制，用地紧张，政府投资有限等因素制约，结构设计通常会充分利用现状地形及自身结构特点进行优化设计。本文以某国家级贫困县学校运动场地主席台结构进行深入设计分析，提出主体结构与挡土墙共用的方案，并进行一定的探讨，供结构设计人员学习探讨。

1 工程概况

本工程案例为某国家级贫困县学校运动场主席台，建筑总长115.40m，总宽10.55m，地上一层，层高为4.95m，基础为条形基础，现浇钢筋混凝土框架结构，顶棚膜结构，设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，结构重要性系数1.0，主席台后墙为现浇钢筋混凝土结构外墙兼挡土墙，主席台前后两侧墙体高差为6m，其平面效果如图1所示。

图1 拟建场地平面布置

2 工程地质及水文地质条件

2.1 工程地质条件

根据场地地勘报告，地层描述如下：①层耕土：灰褐色，稍湿，松散，以粉土为主，含大量腐殖质及植物根系，均匀性较差，场区普遍分布，该层工程性质较差，在建设过程中全部进行挖除。②层粉土：黄褐色，稍湿，稍密，垂直孔隙、节理较发育，切面较粗糙，含少量粉砂及粉质黏土均匀性一般；湿陷性较敏感，场区普遍分布，该层工程物理性理学性质较好，可作为一般建筑物的基础持力层。③层卵石：青灰色，稍湿～湿，稍密～中密，主要以中粗砂及粉土充填为主，含少量漂石，粒径大于20mm的颗粒占总含量的62～78%，一般粒径30～50mm，多呈圆形及亚圆形，颗粒磨圆、级配较好，矿物成分以石英、黑云母及长石等为主。该层物理力学性质较好，埋深较浅，为本次工程案例基础持力层。

2.2 水文地质条件

根据勘察报告，勘察深度范围内未揭露地下水。设计未考虑地下水对工程的影响。

2.3 不良地质作用

区域地质资料及场地周围调查表明，工程场地无活动断裂通过，拟建场地处于区域相对稳定地段，抗震地段属一般地段。

3 工程案例设计

场地原始地形成台状分布，南高北低，场地整体高差约为6m，为充分利用现有地形条件，减少了土方回填及开挖工程量，节约用地，减少工程造价，保证校园整体布置风格协调美观，运动场地布设时设置在陡坎处，陡坎上部为学校活动场地，下部为运动场地，陡坎原始高差4.0m，建筑设计高差为6.0m，原始地形与结构设计如图2所示。

图2 原始地形与结构设计

4 工程案例分析

4.1 基本假定

①地质条件较为简单，墙后土体按照均质多层土考虑；②基础范围内无地下水，计算不考虑地下水影响；③地下室侧向土压力按照山地建筑地下室外墙设计，采用静止土压力[1]，按照朗肯土压力理论[2]，挡土墙墙背垂直光滑，墙后填土面水平。

4.2 设计参数

（1）土体设计相关参数。

土体参数主要用于墙体侧向土压力计算，根据地勘报告及当地工程经验，场地内地基土主要土体参数如下：地面附加荷载30kPa、土体重度为γ=18.0kg/cm3、土体综合内摩擦角标准值为φ=30°、静止土压力系数按照k0=1-sin（φ）计算，k0=0.5，朗肯土压力计算公式为σ=k0·z·γ。

（2）抗震作用[3]及外荷载作用[4]等相关参数。

抗震设防烈度为Ⅷ度0.20g，特征周期0.45S，设计地震分组第三组，结构阻尼比0.05，周期折减系数0.80，考虑5%偶然偏心，考虑双向地震作用，结构重要性系数1.0，多遇地震水平地震影响系数最大值0.16，罕遇地震水平地震影响系数最大值0.90。场地类别为Ⅱ类，框架抗震等级Ⅰ级。基本风压0.30kN/m2；地面粗糙度类别B类；恒载8.8kN/m2，活载3.5kN/m2。

4.3 计算模型

采用YJK-盈建科建筑结构计算模块（1.9.1.0版本）对结构进行了分析验算，并采用理正挡土墙软件对假想边坡进行挡墙验算，对建筑设计方案进行分析，该拟建建筑物模型受力较为简单，受力较为明确，计算模型如图3所示（取其部分轴剖面进行验算）。

图3 计算模型及荷载

4.4 验算结果分析

（1）坡地建筑的结构设计不但要满足承载能力极限状态，还应当满足正常使用极限状态[5]。除基础不均匀沉降外，在风荷载、地震作用等水平荷载的作用下也容易产生局部滑坡、失稳等破坏[6]。本文利用YJK-盈建科建筑结构计算模块（1.9.1.0版本）进行验算，考虑侧向水平土压力永久作用下，对主体结构变形、整体抗倾覆验算、整体稳定性及裂缝等控制要素进行了相关验算，经验算，楼层剪力系数、最大弹性位移角、位移比、周期比、变形均满足规范要求，结构体系合理可行；对结构整体稳定性及抗倾覆验算，验算均满足规范要求，经验算挡土墙与主体结构结合设计方案整体性能更好，验算结果如表1、表2所示。

表1 结构整体计算指标汇总（一）

表2 结构整体计算指标（二）

对墙体裂缝进行验算，墙体最大裂缝宽度0.18mm＜0.2mm，满足规范要求。

（2）若单独考虑设置重力式挡土墙承受墙后土体侧压力，主体结构不承受墙后水平土压力时，利用理正岩土软件进行验算，同时参考相关图集[7]，挡土墙抗倾覆及整体稳定性满足设计要求的情况下，混凝土挡土墙设计尺寸如图4所示。

图4 假定挡墙设计断面

根据分析挡土墙设计墙总高度为6.7m，墙顶尺寸为1.5m，墙底尺寸为3.2m，单延米混凝土方量为13.99m2。经验算，挡土墙抗倾覆稳定性为3.098，抗滑移稳定性为1.357，抗震条件下整体稳定性为1.274，均满足规范[8]要求。

（3）经济及工期分析。挡墙施工周期较长、费用较高、在保证整体抗滑移、抗倾覆等控制因素的条件下，挡墙与主体结合方案，可减少经费投入及施工工期，减小公共资源浪费。经预算分析，本次挡土墙与主体结构结合方案，设计主体结构总造价为188万元，单独设置钢筋混凝土挡墙时，挡墙造价约为90万元，且经预算对比，挡土墙与主体结构结合方案工程造价与单独设置混凝土挡土墙相比，可节约经费20%～30%，同时可节约工期为50～60d。

5 结语

通过本次对比验算，主要得出以下结论。

（1）建筑平面布置应充分利用现有地形条件，合理布置建筑物分布，可减少了土方回填及开挖，节约用地，保证校园整体布置风格协调美观。

（2）在墙后土体为均匀土质，挡墙高度较低，拟建物工程重要性较低的条件下可优先考虑挡墙与主体结构结合方式。

（3）采用挡土墙与主体结合方式，可提高结构的整体性能。

（4）挡墙施工周期较长，施工费用较高，在一定条件下，将主体结构与挡墙相结合方案，可充分利用主体结构自身受力特点，节约工期及资金投入。