坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題及要點(diǎn)探討
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摘要：現(xiàn)階段所采取的坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用中存在局限之處，實(shí)際結(jié)果與計(jì)算模型存在較大差異。文章以坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題作為切入點(diǎn)，探討相適應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，總結(jié)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以期給坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作提供參考。
關(guān)鍵詞：坡地建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
1坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要問題以及設(shè)計(jì)方法
1.1設(shè)計(jì)建模問題及其設(shè)計(jì)方法
（1）通過YJK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件建模，需遵循逐層設(shè)置支座的原則，實(shí)際操作環(huán)節(jié)較多、工作量較大，在層數(shù)較高的坡地建筑中缺乏可行性，即便在小型坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中也需要耗費(fèi)大量時(shí)間。（2）YJK建模樓層組裝過程中，與基礎(chǔ)相連構(gòu)件的最大底標(biāo)高填寫與基礎(chǔ)相連的最大底標(biāo)高，即對(duì)應(yīng)的是開始掉層的柱頂，在此工作機(jī)制下軟件會(huì)自動(dòng)識(shí)別支座，操作相對(duì)便捷。上述提到的兩種建模方法均需在相應(yīng)樓層根據(jù)土推力的支座反力輸入等效水平推力，使軟件自動(dòng)計(jì)算各工況作用下的抗傾覆穩(wěn)定性。雖然上述兩種計(jì)算方法現(xiàn)階段的坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都得到廣泛應(yīng)用，但由于坡地建筑抗震資料不足以及設(shè)計(jì)人員坡地建筑項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致施工過程中出現(xiàn)失控的現(xiàn)象，建筑施工要素難以得到把控，過于呆板地依據(jù)經(jīng)驗(yàn)開展設(shè)計(jì)工作，缺乏對(duì)實(shí)際情況的分析，所得方案與實(shí)際需求不匹配。此時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要提高綜合水平，廣泛收集抗震設(shè)計(jì)相關(guān)資料，兼顧多方面因素系統(tǒng)性地做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，保證各項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容都滿足要求。
1.2基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問題及其設(shè)計(jì)方法
坡地建筑常用基礎(chǔ)形式有筏板基礎(chǔ)、復(fù)合地基基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)[1]。筏板基礎(chǔ)、復(fù)合地基基礎(chǔ)是風(fēng)化巖土層或基巖出露面較淺的坡地建筑常用的基礎(chǔ)形式，關(guān)鍵在于盡量保證基底持力層一致，基底標(biāo)高盡量處于同一水平面及不存在臨空面。當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)附近有臨空面時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算向臨空面的傾覆和滑移穩(wěn)定性。存在不穩(wěn)定的臨空面時(shí)，應(yīng)將基礎(chǔ)加埋深加大至下伏穩(wěn)定巖體，并滿足抗傾覆和抗滑移要求。同一基礎(chǔ)的地基可以根據(jù)坡地地形或臺(tái)地要求放階處理，但應(yīng)滿足抗傾覆和抗滑移要求。因坡地多為地層起伏且基巖上部可壓縮層厚度不均，筏板基礎(chǔ)、復(fù)合地基基礎(chǔ)較難控制建筑物的最大沉降量和整體傾斜量，此時(shí)宜設(shè)置200~300mm的褥墊層作為調(diào)節(jié)上述不利因素的措施，或加大埋深，使同一基礎(chǔ)處于相同穩(wěn)定的地基持力層。筏板基礎(chǔ)或復(fù)合地基基礎(chǔ)能提高坡地建筑抗滑移安全系數(shù)，建議根據(jù)地質(zhì)情況優(yōu)先采用或與樁基礎(chǔ)組合使用。樁基礎(chǔ)關(guān)鍵在于做平樁底，盡量保證樁底處于同一水平面標(biāo)高及同一巖層，樁端應(yīng)進(jìn)入潛在滑動(dòng)面以下穩(wěn)定巖土層內(nèi)，并對(duì)樁進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算及水平承載力驗(yàn)算。坡地樁基礎(chǔ)易形成露樁，即因坡地地形差異，部分樁出露基巖外，部分樁則埋于基巖內(nèi)?；鶐r外的樁主要采取短柱樁的形式，難以獲得側(cè)向基巖的約束，為獲得足夠的基巖約束需增加柱樁的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，因此會(huì)出現(xiàn)與實(shí)際模型不匹配的情況并增加施工難度。有研究表明，對(duì)于地震高發(fā)區(qū)而言，在坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，露樁設(shè)計(jì)的方式會(huì)導(dǎo)致外露地面處的樁身缺乏穩(wěn)定性，表現(xiàn)出受損、變形等問題，并作用于建筑整體。綜上，需要注重樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求，采取合適的措施以維持基巖外樁的穩(wěn)定性，確保其與實(shí)際模型保持一致，且在條件允許的情況下盡可能避免短柱樁的形式。
1.3坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏針對(duì)性
常規(guī)設(shè)計(jì)方式在坡地建筑中存在可行性不足的情況，缺乏對(duì)各項(xiàng)特殊施工內(nèi)容的針對(duì)性分析，僅停留在“虛模型”的層面。若采用常規(guī)設(shè)計(jì)方式無(wú)法提供準(zhǔn)確的加強(qiáng)量度，同時(shí)坡地建筑結(jié)構(gòu)的受力也將處于異常狀態(tài)，影響到建筑整體的穩(wěn)定性。部分坡地建筑工程中，豎向構(gòu)件均采取相同的標(biāo)高控制標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)計(jì)算模型變得更加精簡(jiǎn)，但存在較明顯的偏差，不符合實(shí)際要求。豎向構(gòu)件采取相同的標(biāo)高時(shí)，則要分別計(jì)算不等高嵌固后的模型，確定各高度所對(duì)應(yīng)的豎向構(gòu)件的具體設(shè)置方式，使其能夠下落至一層掉層的底標(biāo)高上，再分別展開計(jì)算與對(duì)比分析。此方法的優(yōu)勢(shì)在于便捷性較高，但缺乏可靠性，即在實(shí)際使用中存在諸多不適用之處。對(duì)此，坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須富有針對(duì)性，不可完全依賴常規(guī)方法展開設(shè)計(jì)工作，要以實(shí)際情況為立足點(diǎn)，兼顧地形、地質(zhì)等因素對(duì)建筑結(jié)構(gòu)所造成的影響，將其作為坡度建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)考慮對(duì)象，采取正確的設(shè)計(jì)方法，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可行性。
1.4坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗滑移與抗傾覆的驗(yàn)算問題
坡地建筑常見一面為高填土區(qū)，一面為臨空面，使建筑物承受較大的水平推力。設(shè)計(jì)階段必須準(zhǔn)確計(jì)算建筑物的抗滑移及抗傾覆穩(wěn)定性，確保建筑物的安全，可在方案階段根據(jù)地形坡度設(shè)置獨(dú)立重力式擋土墻及階梯型半地下室，形成“類卸荷平臺(tái)”作用，可減少土推力對(duì)建筑物的影響。在設(shè)計(jì)過程中，除常規(guī)驗(yàn)算土推力對(duì)建筑物的整體穩(wěn)定性的驗(yàn)算外，對(duì)于高層及超限高層建筑還需進(jìn)行大震作用下的基底剪力與地震工況下的土推力的合力對(duì)建筑物整體穩(wěn)定性的驗(yàn)算，風(fēng)荷載工況作用下的基底剪力與土推力的合力對(duì)建筑物整體穩(wěn)定性的驗(yàn)算。
2工程實(shí)例
某3層底商高層住宅樓建于坡地上，0.000以上共設(shè)置16層、0.000以下共設(shè)置4層，總高度64m，北面路面絕對(duì)標(biāo)高36.50，南面路面絕對(duì)標(biāo)高22.00，采取階梯型半地下室建筑布置，北面為純地下室及裙房，南面為塔樓，純地下室底板面絕對(duì)標(biāo)高23.70，塔樓底板面絕對(duì)標(biāo)高20.20，高差3.5m。建筑采用框架-剪力墻的結(jié)構(gòu)形式。基本期風(fēng)壓W0=0.50kN/m2，地面粗糙程度B類，體形系數(shù)1.4，根據(jù)規(guī)范，風(fēng)荷載承載力設(shè)計(jì)取基本風(fēng)壓的1.1倍采用，抗震設(shè)防烈度7度，基本地震加速度0.1g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，建筑場(chǎng)地類別Ⅱ類，因裙房底層框架部分承受的地震傾覆力矩＜結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的10%，按剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、綜合考慮，框架及剪力墻抗震等級(jí)均為三級(jí)。
3地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1基礎(chǔ)設(shè)計(jì)圖
本工程塔樓采用CFG樁復(fù)合地基筏板基礎(chǔ)，純地下室部分（裙樓部分）采用鉆孔灌注樁及筏板基礎(chǔ)。復(fù)合地基設(shè)計(jì)褥墊層下方樁間土為粉質(zhì)粘性土，fak=200kPa，CFG樁樁徑均為500mm，樁體采用C25混凝土，有效樁長(zhǎng)＞6m，樁端持力層為全風(fēng)化粉砂巖，樁端進(jìn)入持力層＞5.0m，單樁承載力特征值要求Ra≥550kN，復(fù)合地基承載力特征值fspk≥350kPa，筏板高差變化處需60°放坡形成剛性角。鉆孔灌注樁樁徑800mm，樁端持力層為中風(fēng)化粉砂巖，單樁承載力Ra=3700kN，Rh=550kN，樁長(zhǎng)約20h，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況及超前鉆情況確定入巖深度，樁端進(jìn)入潛在滑動(dòng)面以下穩(wěn)定巖土層內(nèi)。
3.2掉層部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）控制好各樁底標(biāo)高，使其達(dá)到相齊平的狀態(tài)。（2）樁體澆筑過程中嚴(yán)格控制好樁頂標(biāo)高，各樁結(jié)構(gòu)采取相同的控制標(biāo)準(zhǔn)，再預(yù)留豎向構(gòu)件插筋。（3）加強(qiáng)對(duì)掉層豎向構(gòu)件的抗震構(gòu)造措施，通過板式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與坡上基礎(chǔ)的穩(wěn)定連接，構(gòu)成穩(wěn)定性較好的整體結(jié)構(gòu)。（4）相應(yīng)樓層根據(jù)土推力的支座反力輸入等效水平推力。采取上述所提的方法完成處理工作后，僅通過常規(guī)方法即可建模并計(jì)算。
3.3抗滑移與抗傾覆的驗(yàn)算
經(jīng)模型計(jì)算，建筑物上部恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gd=280626kN，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gl=18173kN，塔樓筏板自重標(biāo)準(zhǔn)值G_FB=29625kN，純地下室（裙房）底板自重標(biāo)準(zhǔn)值G_DB=16262kN，樁豎向承載力總標(biāo)準(zhǔn)值Nk=54990kN，樁水平承載力總標(biāo)準(zhǔn)值Nk_h=30800kN，大震作用下的基底剪力V_Ehk=39115kN，風(fēng)荷載作用下基底剪力V_wk=3968kN，土壓力合力（含水）Ea=39342kN，地震工況下的土壓力合力（含水）Ea_S=52885kN。塔樓筏板基礎(chǔ)底板為250厚級(jí)配砂石褥墊層，密實(shí)狀態(tài)，內(nèi)摩擦角35°,摩擦系數(shù)u=0.35。經(jīng)模型計(jì)算及結(jié)果，風(fēng)荷載作用下及大震作用下，建筑物抗傾覆穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013）抗滑移驗(yàn)算如下：（1）風(fēng)荷載作用下：Fr_W=98213kN，F(xiàn)_W=43310kN，F(xiàn)s=2.26＞1.3，滿足規(guī)范要求；（2）大震作用下：Fr_S=98213kN，F(xiàn)_S=92000kN，F(xiàn)s=1.06＜1.1，不滿足規(guī)范要求。需增加考慮樁的水平承載力，F(xiàn)r_S=98213+30800=129013kN，F(xiàn)_S=92000kN，F(xiàn)s=1.40＞1.1，滿足規(guī)范要求。以上計(jì)算均未考慮筏板（底板、承臺(tái)）側(cè)面土的被動(dòng)土壓力對(duì)抗滑移計(jì)算的貢獻(xiàn)，作為安全儲(chǔ)備考慮。
4結(jié)束語(yǔ)
土地資源有限，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展導(dǎo)致土地資源緊缺的局面愈發(fā)明顯。在此背景下坡地建筑成為重要突破口，其建設(shè)規(guī)模隨之?dāng)U大，但地形、地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜，必須做好坡地建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，使建筑各部分維持穩(wěn)定，構(gòu)成完整的整體結(jié)構(gòu)，保證建筑物的安全可靠。
參考文獻(xiàn)
[1]胡琪磷.坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].建材與裝飾，2018（40）：113-114.
作者：林清亮 單位：廣東順建規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司廣州分公司