山地建筑掉层结构设计要点探析

黄铧庚

（福建省环境保护设计院有限公司，福建 福州 350011）

0 引言

山地建筑因其建设场地条件的限制，其结构体系上常会出现一些薄弱部位，加大了结构设计的难度。例如由于地形原因，建筑竖向承重构件的底部嵌固标高不同，导致结构传力路径不清，即使处于低烈度区的建筑，在水平地震作用下也会发生较大扭转；山地建筑经常面临周边覆土地坪标高相差较大的情况，形成半开敞式地下室，因此，结构设计时应考虑土体水平推力对建筑整体滑移的影响。本文根据实际工程情况，对山地建筑掉层结构设计要点进行探讨。

1 工程概况

该项目位于武夷山市度假区望峰路福建省国家大气环境武夷山监测站内。场地原始地貌属丘陵山地，地势西北高东南低，呈台地地形，土壤环境质量样品库依坡而建，东北侧临近一既有挡墙，最近处距离6m。建筑总建筑面积2428.72m2，总占地面积979.62m2，高程关系图及建筑效果见图1、图2。

图1 高程关系图

图2 建筑效果图

该工程建筑高度为11.6m，平面尺寸36m×26m，为地上三层框架结构（首层为掉层结构），其中自下而上层高分别为3m、4.2m、4.4m，出大屋面以上另有局部小屋面，檐口标高14.8m。该工程地处武夷山景区之内，建筑结构设计时应依山就势融入自然，避免工程建设深挖高填对自然环境造成的破坏，所以方案设计时结合原有地形，采用掉层结构设计。

根据勘察报告，场地内勘察深度范围内表层为新近填土层，其下为粉砂岩残积黏性土，遇水易软化崩解，再下为全风化砂岩及砂土状强风化砂岩。本项目为三层框架结构，考虑到残积黏性土层较薄且起伏较大，故选用全风化砂岩作为其基础持力层，基础采用900mm直径人工挖孔墩基础，墩身有效长度约为4m。

2 地震作用的调整

根据《建筑抗震设计规范》[1]（GB 50011-2010）4.1.8条文及其条文说明，对于建设在突出台底或坡顶的建筑物，应该考虑其不利地形带来的地震作用放大效应，地震影响的放大系数为λ=1+ξα。

该工程东侧有一挡土墙，挡土墙高差H=4m，挡土墙接近垂直，故坡降角度正切H/L≥1.0，建筑距离挡土墙最近6m，最远处20m，综合考虑场址距突出地形边缘距离与相对高差H的比值，L1/H=1.5～5。经查阅规范，增大幅度α=0.3，附加调整系数ξ=1.0～0.3,故地震影响系数的放大系数λ=1.09～1.3。对于项目整体考虑，应取最不利状态考虑，故采用1.3放大系数。

另外，该工程由于地形原因，设置了一局部掉层，导致建筑框架柱底标高不同。根据《山地建筑结构设计标准》[2]（JGJ/T 472-2020）5.1.10条文，掉层结构在模拟设计软件中如果设定建筑整体嵌固部位为上接地端时，软件则假定该层为无限刚度，对于掉层部位来说与实际情况相差较大，会导致上部剪力弯矩无法真实地传递到掉层部位。

3 掉层结构的设计要点

3.1 确定建筑高度

建筑高度是确定建筑适用范围和抗震等级的必要参数。对于存在多个嵌固端的建筑来说，合理确定其主导嵌固位置是确定其建筑高度起算位置的第一步，一般建筑物80%以上的竖向抗侧力构件嵌固于同一标高时，该部分对整个建筑结构受力特性起到了主导作用，可视为主要嵌固端，建筑总高度由此起算。对于难以区分主要嵌固部位的建筑，由于不同高度的嵌固作用相互影响，结构传力路径更加复杂，在确定建筑高度时采用最低嵌固部位起算，同时应采取不同嵌固部位的模型进行包络设计。

该工程掉层部分约占总平面面积的25%，二层总框架柱35根（其中非嵌固于上接地端的12根），由于各框架柱、框架梁布置相似，此处粗略估算上接地部分结构抗侧刚度约占本层结构总抗侧刚度的66%，故该工程建筑高度由掉层地坪面算至大屋面为11.6m（未考虑室内外高差）。

3.2 抗扭设计

对于山地建筑，即使上部平面规则对称，由于其底部竖向构件嵌固高度不同，也会影响结构体系的受力变形，导致自身扭转效应增强。因此在设计中需要根据结构自身特点，从抗震性能概念设计、抗震分析计算和抗震构造措施等方面进行适当加强[3]。

该工程由于地形原因，掉层部分偏置一角（见图2），建筑左下角1～3轴交A～B轴部分框架柱在上接地端标高没有和刚性基础连接，导致其侧向刚度相对其他框架柱较弱，在水平地震力作用下该部分位移相对较大，使建筑产生扭转。为减小扭转效应，均衡各框架柱的抗侧刚度，首先在限制掉层层高为3m的同时，加大框架柱截面和配筋，箍筋全高加密，并在掉层部分及建筑外围设置剪力墙，加强掉层的整体刚度，缩减与上接地端的刚度差距；其次在上接地端设置了加强楼盖，楼盖厚度150mm，按0.25%配筋率双层双向设置，在加强其刚度的同时增加楼盖传递水平荷载的能力。

框架结构遭受地震作用时，其竖向承重构件发生破坏时，一般表现为在其嵌固位置发生塑性屈服，即产生塑性铰。山地掉层结构由于竖向承重构件嵌固高度不同，当地震作用下发生塑性变形时，结构主要受力构件为协调变形必然产生额外的附加力场，使结构体系受力更为复杂，放大地震不利影响。

3.3 薄弱部位的加强

（1）根据《山地建筑结构设计标准》3.1.12条规定，该工程在设计掉层及二层竖向构件时采用1.1的重要性系数，并且对上接地层的竖向构件进行抗扭验算和采取加强其延性的措施。

（2）掉层结构由于受力复杂，应根据楼板平面内的弹性变形进行内力计算，在计算扭转位移比时采用刚性楼板。由于上接地端与非接地端约束条件不同，在风荷载或地震力作用下框架柱的不协调变形均由楼盖来拉扯平衡，另外考虑掉层侧边土体对支挡结构的水平压力，土压力通过支挡上下传递给楼盖，导致掉层结构上接地端楼盖和下接地端楼盖的框架梁产生附加拉力或压力，这些构件应按偏压（拉）构件复核。

（3）该工程通过调整层高、加强掉层部分框架强度、增设部分剪力墙的方式控制底层抗侧刚度和受剪承载力大于上一层相应部位的1.1倍。同时将掉层部分的抗震构造措施提高一级，避免掉层结构成为抗震薄弱部位。

3.4 支挡结构的设计

一般情况下，在设计半开敞式地下室时，临土面宜设置永久性支挡结构将主体结构与外部土体脱开，避免土压力对建筑产生不利的侧压力。如果采用土体紧邻结构主体的方案，则应充分考虑之间的相互影响。从传力路径清晰和结构安全性的角度出发，应优先采取土体与结构脱开的做法，但是如果另行增加支护措施，不仅会延长整体工期进度，而且也会增加工程造价。综合考虑了建设项目的安全性、适用性和经济性后，最终选择采用主体结构侧壁兼作为土体支挡结构的方案。

当室外土体荷载直接作用于结构主体外墙上时，不仅需考虑土体在平时状况下的侧向土压力，还应考虑支挡结构在地震作用下向边坡移动时产生的土压力，取被动土压力、罕遇地震作用下结构传给支挡结构的弹性地震作用与静止土压力之和两者的较小值。

考虑罕遇地震作用的主动土压力可参考国外Seed等人研究和我国现行行业标准《公路工程抗震规范》（JTG B02）[4]，近似采用拟静力法按下式计算：

式中：KE、Ka——分别为有地震作用时、无地震作用时作用在支挡结构背面上的主动土压力；

k——水平地震系数，6度、7度、8度时取0.125、0.22（0.31）、0.4（0.51），括号中数值分别应用于7度0.15g和8度0.30g。

根据勘察报告，支挡结构外土体按残积黏性土考虑，其内摩擦角Φk=18°，容重γ=18.5kN/m3。

主动土压力系数∶

Ka=tan2（45-Φk/2）=0.528;

被动土压力系数∶

Kp=tan2（45+Φk/2）=1.761;

地震作用时，支挡结构背面的主动土压力系数∶

KE=（1+0.75×0.125）×0.528=0.58≤Kp

支挡底部土侧压力为3×18.5×0.58=32.2kN/m。

计算分析可知，每延米挡土结构向上传递9.7kN水平荷载至上接地端楼盖，由楼盖、框架梁传递到附近板块的竖向构件和基础；向下传递38.6kN水平荷载至下接地端基础，由基底水平构件（刚性梁板）传递给周边基础共同承担。结构整体建模时，应将支挡水平力按照永久荷载输入计算，考虑对整体指标的影响。

3.5 抗滑移的设计

山地建筑由于周边土压力不均匀、地质岩土层倾斜等原因，对建筑整体进行抗滑移验算是必不可少的。对于该工程，为多层框架结构，自重荷载不大，地基土所能提供的抗滑摩擦力有限，出于保守设计考虑，暂不将地基摩檫力计入抗滑设计，仅考虑墩基础水平承载力。

该建筑挡土部分总长36m，掉层部分长18m，根据上述对支挡结构的计算，可知建筑总水平土压力为48.3×36=1739kN,其中掉层部分承担870kN。建筑总墩基础数量74根，其中掉层部分墩基础数量31根。

墩基础是介于浅基础与桩基础之间的基础形式，对于其竖向承载力采用天然基础的计算模式，出于安全考虑，不计入墩身侧面土体的贡献。然而，对于墩基础水平承载力,规范没有明确规定如何确定其水平承载能力，根据单墩水平承载力特征值Hk经验公式[5]。

式中：η——墩周土水平抗力调整系数，一般取0.7～0.9；

α——墩底扩大端水平面夹角，取14°；

d——墩身直径，取0.9m；

D——扩大头直径，取1.6m；

H——墩入土深度，取5m；

h——墩体直身段，取4m。

以上数据代入公式求解可得：单墩水平承载力特征值Hk=68～87kN，取小值Hk=68kN，结合墩基础数量，可知整体建筑水平承载力为5032kN，远大于土体水平滑动力。而掉层部分水平承载力也有2108kN，相当于掉层水平滑动力的2.4倍。所以可得出结论，该工程在未计入基底土体摩擦力情况下，依然能满足水平抗滑的要求。

4 结束语

山地建筑因其各自地形、地质情况不同而具有较大的特异性，每个工程都应结合项目的实际情况综合考虑。本文根据实际工程情况，对山地结构设计中经常遇到的一些问题进行汇总：

（1）山地建筑不同嵌固高度的竖向抗侧力刚度分布情况的分析，对确定建筑总高度具有重要意义。

（2）掉层结构具有先天不可避免的结构缺陷，在设计过程中特别注意底部薄弱位置的加强，按规定调整其侧向刚度及受剪承载力，提高抗扭能力。

（3）在支挡结构体系的选择上，应因地制宜采用脱开或不脱开设计，不论哪种形式都应充分考虑对整体结构的影响。

（4）山地建筑的抗滑移设计需要同时满足整体与局部的滑移要求，避免因滑移错动带来的不利扭转影响。对于自重较轻的多层建筑，由自重摩擦提供的抗滑力不足时，可选用锚入土体一定深度的基础形式（墩基础、桩基础等），以提高基底抗滑力，保证建筑抗滑移稳定。