小议坡地建筑的结构设计

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由于坡地建筑的特殊性，其嵌固端不能建在一个平面上，所以不能与常规的建筑结构等同设计。在结构设计中，通常采用下面几种常见的建模方法：（1）在PMCAD的楼层组装中，逐层设支座，即将开始退台的柱底设为支座。此方法比较繁琐，层数较少的结构可以使用此方法。（2）将高度填在PMCAD的设计信息中的与基础相连的最大底标高中，即填入开始掉层的柱顶标高，此时软件自动判别支座，这种方法较为便捷，操作方便。

尽管上述两种处理方法具有一定的可操作性，但由于目前关于坡地建筑抗结构的抗震性能研究的理论资料不够充分，结构设计人员对这种特殊结构形式的认识也不足，无法从整体上把握这种结构形式，结构设计时主要按照工程经验进行设计。从“5•12”汶川地震的坡地建筑损害现象来看，经验做法往往存在潜在的缺陷。以下论述几种常用的设计坡地建筑结构的方法及其存在的问题。

（1）露桩设计。露桩设计在重庆较多，这种设计方法是将桩顶做平，然后在桩上修造建筑结构。由于坡地的标高不同，造成了一部分桩埋在基岩中，一部分露在基岩外。这种设计方法之所以不合理，一是因为露桩会造成露在基岩外面的桩形成短柱，二是因为露桩在没有侧向基岩约束时，造成了柱的计算长度增长，与实际模型不相符。有震害调查[1]指出在地震下，采用桩柱体系，伸出地面的桩身顶部会严重破坏。

（2）先常规设计，再把竖向构件往下落。该设计方法是一些结构设计师在没有明确的规范的要求下，采用的一种“虚模型”的设计方法。因为按常规的设计方法，可以避免吊层与掉层结构计算模型中位移比、受剪承载力、刚度比超标的因素，然后再把不在同一标高上的竖向构件落到基础上，只用在配筋和截面上稍作加强。然而加强多少，并没有量度；并且这一方法还忽略了一个重要问题，即常规结构与坡地建筑结构的受力的方式是否一样。王丽萍[2]给出了掉层结构的内力分配规律。

（3）将竖向构件建在同一标高上设计。该方法与方法（2）类似，都是设计者人为地将计算模型简化；然而这种简化往往伴随着较大的设计误差。将竖向构件建在同一标高上设计的方法就是先按不等高嵌固的模型计算，然后再将不等高的竖向构件落到最下面一层吊层的底标高上再次计算进行对比设计。这种方法缺少可靠性，但是在表面上看起来合理，所以常常被设计者所采用。本文结合工程实例提出一种坡地建筑结构的设计方法，其思路为先按照平地建筑进行结构设计，在进行结构施工时通过适当的处理使其与结构设计模型相符合，以此实现坡地建筑的设计与实际结构受力更为一致。

某坡地上工程为商住楼，框架-核心筒结构，总面积为2.8万m2，共27层（底部掉层2层），建筑总高度为97.2m。基准期的基本风压WO=0.40kN/m2（主体高度大于60m时按基本风压的1.1倍取）；地面粗糙度为B类，建筑物的体型系数1.4，由于该工程位于坡地，还需按规范考虑其坡顶地形条件修正系数ηB。抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值0.05g，场地设计地震分组为第一组。场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.35s，结构阻尼比0.05，水平地震影响系数最大值0.04。

1地基基础设计

（1）地质条件经现场工程地质调查和钻探揭示，场区内未见不良地质作用，地质灾害不发育，场地现状稳定，适宜该工程建设。基础持力层为以中等风化页岩和粉砂岩为基础持力层，页岩饱和抗压强度标准值为10.98MPa，地基承载力特征值为3.84MPa，砂岩饱和抗压强度标准值为28.91MPa，地基承载力特征值为10.12MPa。（2）基础设计（图1）根据地勘报告，结合设计情况，该工程基础选型如下：框架部分采用桩基，核心筒部分采用筏基。桩基采用人工挖孔桩，其基础嵌入完整中风化岩层。嵌岩桩单桩竖向极限承载力标准值和设计值及嵌入中等风化基岩的深度按《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)第5.3.9条计算。相邻有高差的桩基应满足刚性角不大于45°的要求。（3）环境处理方案该工程场地高差变化不均，建筑结构方案设计时充分利用场地关系进行设计，避免大开挖及高边坡的出现。建筑主体部分位于周边环境的高差较小部分，采用钢筋混凝土挡土墙或重力式挡土墙支护，钢筋混凝土挡土墙墙厚为250～400mm；重力式挡土墙根据支挡土层的高度按图集04J008选用。由于基坑开挖而形成的临时边坡，采用自然放坡时，土层取1∶1.5，强风化岩层取1∶0.5，中风化岩层取1∶0.2。场地道路环境部分，部分区域高差较大，拟采用锚杆挡墙进行设计。

2掉层部分结构设计

由于该建筑需要形成依山而建的效果，加之于坡地建筑的假定模型与现有的软件模拟不相符，因此本设计采用了特殊的处理，使模型与真实边界条件相吻合。处理简图见图2，处理方法如下：（1）由于该工程岩石基本稳定，不开挖就可达到稳定持力层，因此将不掉层的柱下桩孔一直向下开挖，使各个桩的桩底平齐。（2）浇筑桩时，使桩顶控制于同一标高，然后预留竖向构件插筋（位于桩孔中的柱子不能回填填料，避免造成不等高嵌固）。（3）掉层部分的竖向构件通过水平转孔，然后通过水平拉梁与非掉层的柱子形成整体结构。通过上述方法处理后，结构计算模型可按常规方法进行建模计算。但由于掉层与非掉层竖向构件只有拉梁，没有板，造成楼板开大洞时不连续，于是进行了超限分析。分析指标见表1。通过以上指标表格的显示，该工程按常规结构设计即可，按照抗震规范[3]的要求正常经行抗震措施和抗震构造措施，无需经行特别处理。经过弹塑性分析，在大震作用下，在桩孔中的柱子的位移小于柱顶到桩边的距离。因此，说明本文介绍的方法具有一定可行性。

现有的结构设计软件不能合理模拟掉层与吊层的结构，只有将复杂事情简单化，才能使设计结果满足规范要求。本文介绍的处理方法只适用于稳定的岩石地基，其他类型的地基还有待研究。本文介绍的方法中，必需保证在桩孔中的柱与穿过钢管的连系梁不被填料掩埋，这样才能保证在地震作用下，结构的整体协同工作，设计计算才可按常规结构设计。（本文作者：曾伟、贺渝、黄江 单位：重庆宏筑建筑设计有限公司、重庆市渝北区建设工程质量监督站、重庆市美联建筑工程有限公司）