山地建筑结构抗震设计研究

山地建筑结构抗震设计研究

康凯张鑫

北京维拓时代建筑设计股份有限公司北京市100025

摘要：近年来，随着人们对人居环境要求的提高，与自然环境相适应、与山地地形相结合的山地建筑越来越多的出现在城市郊区的住宅规划中。尤其对于高档的洋房、别墅等建筑群来说，依山而建的起伏错落感更增强了社区整体的灵动气氛。但是这种在坡地上底部构件约束部位不在同一水平面上且不能简化为同一水平面上的结构形式，常常伴随着平面或竖向不规则等导致结构抗震不利的情况出现，这时结构设计者不能以简单的平地建筑结构设计的思维来进行概念设计和具体的施工图设计，而应对山地建筑结构的地震影响复杂性给予特别的重视。现阶段，针对山地建筑结构抗震设计的规范很匮乏，这就需要我们设计人在实际工程中总结经验和教训，不断的完善山地建筑结构设计时计算和构造方面的处理办法，增强实际工程应用的可操作性。

关键词：山地建筑、震害特点、与平地建筑设计差异

一、山地建筑结构的震害特点

山地建筑结构的类型界定

对于山地建筑结构的主要类型，《重庆市住宅建筑结构设计规范》中给出了界定，有吊脚结构和掉（错）层结构两种类型。

5•12汶川地震后，诸多结构专家深入灾区现场调研，对典型山地建筑震害特点进行分析例证，为后续的山地建筑这种特殊建筑类型的抗震设计工作提供了宝贵的经验和启示。

山地建筑结构的震害特点主要包括以下几点：

(1)架空层形成柔弱底层而严重破坏；

(2)采用长短不同柱将坡地架空，短柱易发生剪切破坏；

(3)采用桩柱混合体系将坡地架空，桩基础易发生破坏；

(4)错层处楼梯柱、楼梯板破坏严重；

(5)陡坡边缘地带建筑物震害较重等。

山地建筑结构抗震设计经验和启示：

(1)选择建筑场地时应尽量避开不稳定的边坡和陡坎；

(2)山地建筑结构的抗震性能需要严格的构造措施和施工质量给予保证；

(3)山地建筑结构架空层易形成柔弱底层，对于不等高柱架空，建议从概念设计上考虑和采取必要的抗震构造措施，尽量避免短柱和上刚下柔；

(4)由于山地建筑结构竖向刚度不规则，扭转效应明显，建议设计时底部加强；

(5)山地建筑架空层常会为了设计和施工方便，直接把桩基础伸出地面当柱使用，由于其抗弯和抗剪都较弱，出地面的桩身容易发生破坏，建议设计时勿用桩代替柱，如代替柱，桩应按柱设计；

(6)错层式山地建筑结构房屋在错层部位楼梯柱及梯段板震害尤其严重，建议采取必要的抗震构造措施，对错层部位楼梯柱(短柱)加强；

(7)对于无法避免在陡坎附近建山地建筑，建议在设计时考虑局部场地的影响及陡坎边坡稳定问题。

二、山地建筑与平地建筑结构抗震设计的差异

1.房屋建筑高度的确定

房屋的总高度是指起算地面到主要屋面板板顶或檐口的高度。

（1）平地建筑，起算地面一般指室外地面，半地下室时指地下室室内地面，全地下室和嵌固条件好的半地下室指室外地面。

（2）坡地建筑，起算地面指较低一侧的室外地面。

2.结构计算嵌固端的选择

（1）平地建筑，对于无地下室的结构，可取独立基础或筏板基础底为计算嵌固端，对于有地下室的结构，地下室顶板作为结构嵌固端时应满足规范对于计算嵌固端下一层与上一层比值的要求。

（2）坡地建筑，掉层结构当下接地部分面积小于上层面积的15%时或上下接地位置高差小于1/2层高时，嵌固端可视为同高；当嵌固端选为上接地位置时，下部结构与上部对应部分的侧向刚度比值不应小于2；当嵌固端选在不同高度位置时，宜优先采取独立设计的挡土结构，保证上接地部位坡地的稳定性。

3.风压高度起算点的确定

（1）平地建筑，风荷载计算中高度的起算点为建筑室外地坪。

（2）坡地建筑，风荷载计算中高度的起算点宜取为建筑较低一侧的室外地面。

4.关于地震动作用的放大

（1）平地建筑，无地震动放大的要求。

（2）坡地建筑，《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第4.1.8条指出，当需要非岩石和强风化岩石的陡坡等不利地段建造丙类及丙类以上建筑时，除保证其在地震作用下的稳定性外，尚应估计不利地段对设计地震动参数可能产生的放大作用，其水平地震影响系数最大值应乘以增大系数（根据不利地段的具体情况确定，在1.1~1.6范围内采用），具体计算方法参考第4.1.8条条文说明。

5.结构楼层的侧向刚度问题

（1）平地建筑，应满足《抗规》和《高规》对相应结构形式的具体要求。

（2）坡地建筑，除应满足《抗规》和《高规》对相应结构形式的具体要求外，尚应符合下列规定：

a．对吊脚建筑结构，应验算建筑底层以下吊脚部分的等效侧向刚度，其值与上部若干层的等效侧向刚度之比宜接近于1，抗震设计时不应小于0.8。验算时，吊脚部分的高度可取为最大和最小吊脚高度的平均值，上部若干层结构的验算高度接近且不大于该平均值。

b.对掉层建筑结构，应验算上接地层及以下部分的等效侧向刚度，其值与上部结构若干层的等效侧向刚度之比宜接近于1，抗震设计时不应小于0.8。验算时，上接地层及以下部分的等效高度可按各竖向构架的侧向刚度进行加权平均计算，上部若干层结构的验算高度接近且不大于该平均值。

6.结构楼层受剪承载力的问题

（1）平地建筑，应满足《抗规》和《高规》对相应结构形式的具体要求。

（2）坡地建筑，当为吊脚结构时，吊脚部分层间受剪承载力不宜小于其上层相应部位竖向构件的承载力之和；当为掉层结构时，掉层层间受剪承载力不宜小于其上层相应部位竖向构件的承载力之和。

7.关于地基基础形式的确定

（1）平地建筑，同一结构单元的基础不宜设置在截然不同的地基上，一般情况下，同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基。

（2）坡地建筑,岩石地基时可部分采用天然地基部分采用桩基,但应加强桩基刚度。由于岩石地基刚度大,一般可不考虑不均匀沉降带来的不利影响。

三、山地建筑结构设计实际工程中若干细节问题的处理

山东省威海市呼雷汤项目位于文登高村镇北侧，汤西村村北。场地位于山前缓坡地带，地势呈台阶状，起伏较大。该场地内建有会所，配套商业，独栋别墅，花园洋房等，主楼地上层数不大于九层，地下不大于两层。

通过对该项目的设计工作，汇总了若干关于山地建筑结构设计细节问题处理的经验，如下所述。

1.本工程的显著特点是小区内道路标高较高，各主楼的±0.00的绝对高程要普遍高出现状地面，而现状地面表层杂填土土层较厚，这就使得即使带一层地下室的结构，满足建筑埋深要求的基础底面也很难落在有效的地基持力层上。对于各主楼，采用的基础方案如下：

（1）花园洋房因层数较高（10层）属于高层建筑，天然地基承载力只有120kPa~140kPa，即使经过修正也基本不能满足承载力的要求，建议采用CFG桩进行地基处理。

（2）独栋别墅因无地下室，根据详勘可酌情采用墙下条形基础，或采用筏板基础。采用墙下条形基础时，可仅在+0.00处做拉梁，不做楼板，建筑做地面做法。

基底进入持力层，采用天然地基地基；基底距持力层2.5m以内，采用换填地基；基底距持力层大于等于2.5m，采用CFG复合地基；

2.本工程中，2#地块局部商业均有一侧外露出地面，不属于地下结构，需要进行地震作用计算。考虑经济性，均采用梁板式框架结构体系进行设计。采用十字梁，板厚取180。

四、总结

首先，要进行整体大局的把控，搞清楚建筑总图中各主体及主体外建筑完成面的标高，明确支挡结构的位置及各子项的施工顺序。

其次，对于各主体结构，需最先进行概念设计，了解山地建筑结构震害的特点，从而有针对性的对各局部环节进行加强。

最后，应向有山地结构设计经验丰富的前辈学习，同时也要勇于提出自己的建议，在探讨中谋求进步。

参考文献：

[1]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010

[2]《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011

[3]《重庆市住宅建筑结构设计规范》DB505019-2001

[4]《建筑结构荷载规范》GB50009-2012