云南省设计院集团
摘要：本文针对坡地建筑结构的特殊性、复杂性，提出了在设计中需考虑的问题及处理办法，用于类似工程设计中鉴见。
关键词：坡地建筑结构；地震力放大；结构设计；嵌固端；侧向刚度
1. 引言
云南是一个地震多发省份，汤郎-易门断裂带、普度河断裂带、小江断裂带从云南境内通过，更使得坡地建筑抗震设计研究显得十分迫切和重要。坡地建筑常常需要与坡地地形相适应，造成其结构平面不规则、竖向不规则，且由于地形的原因，其特点就是在建筑的底层建筑设计的层高不一致，造成建筑底部约束构件不在同一水平面上。坡地建筑结构的不规则性和坡（台）地地基的复杂性决定了坡地建筑结构地震响应的复杂性和抗震设计的特殊性。
2.坡地建筑结构及其类型
坡地建筑结构特指因坡地地形需要，嵌固端不在同一水平面上且不能简化为同一水平面的坡地建筑的结构形式。坡地建筑结构根据坡地特点主要分为5种基本的坡地建筑结构形式：掉层、吊脚、附崖、错台、错层等，（图1）其中吊脚结构和掉层结构是坡地建筑的主要结构型式。
掉层结构是指同一栋建筑的底界面放置在不同标高的场地基面上，并且最高接地点以下按层高设置楼面，并利用坡地高差处空间的结构体系。掉层结构与吊脚结构类似，但掉层结构中利用了坡地高差处的空间。掉层结构给人的直观感受便是下小上大，存在着严重的竖向不规则。
吊脚结构是指不改变坡地环境，采用长短不同的柱（或桩）将坡地架空成平台后再在其上修建建筑物的结构体系。一般不利用架空部分，主要应用于较陡坡地或临江（湖）地带。由于吊脚部分刚度较小，容易形成薄弱层。吊脚结构实质就是竖向不规则结构，可通过规范中竖向不规则指标进行控制，而后通过构造措施保证底部构件的延性，对短柱进行特殊处理等。
附崖结构是指建筑物贴附于陡峭崖壁上的一种特殊的建筑竖向布置方法，建筑与山崖的竖直截面重合。由于该类建筑与山崖（土体）接合较紧密，固该类建筑物在抗震分析中土-结构相互作用的影响必须加以考虑。
错台结构是指同一栋建筑的底界面放置在几个不同标高的场地基面上，因此可以根据掉层结构的相关内容进行设计。
错层结构是指按开间或单元将基础设置于不同标高处，使开间或单元标高在各层相差一定高度的结构体系。该类结构在抗震分析中除有掉层结构类似问题外还有错层位置外竖向构件的抗震性能问题。
3.坡地建筑抗震计算
（1）嵌固端的确定和侧向刚度的控制
坡地建筑结构设计时，底部约束不在同一水平面是其独特特点。那么，嵌固端如何确定呢？笔者认为嵌固端应为强度上的嵌固，当上嵌固点以下的结构与上部结构对应部分的侧向刚度比大于2时，嵌固端可取上嵌固点，反之，嵌固端取下嵌固点。在计算位移比时，嵌固端仍应取下嵌固点，但应控制上嵌固点所在层的位移比。
另外，由于嵌固点在不同标高，其侧向刚度在底部上、下层存在侧向刚度突变，若上、下层刚度相差太大，会导致上、下层构件内力突变，致使部分构件提前破坏。
设计中往往有意识地采取了底部一味加强的设计思想来归避底部长短柱的问题，这种处理虽然做到了底部足够强，但是忽略了由于底层加强后刚度过大而使得二层刚度相对较小，在地震作用下由于底层层位移突然减小而导致二层层间位移角相对较大，在二层出现层间位移角突变，如果对二层未采取任何措施，这时率先破坏的位置不在底层而会转移到二层，所以正确、合理的控制上、下层的侧向刚度比由其重要。只有强度和刚度匹配，且采取有效的增强延性的相关措施，才能防止结构构件的破坏。如何定量的控制侧向刚度及上、下层刚度比呢？在现行规范还没有明确规定的情况下，笔者建意可以参照《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010中关于转换层上、下刚度比的控制要求。
（2）坡地建筑抗震设计中地震动参数取值
目前常见的坡地建筑的位置如下图：
5.12汶川地震大量的震害表明，坡地顶部及斜坡上的建筑物震害较周边平地建筑物的震害严重，除坡地建筑结构抗震设计本身存在安全问题和边坡的稳定性问题外，坡顶及斜坡段上地震动的放大作用也是很显而易见的。
《建筑结构抗震规范》GB 50011-2010第4.1.8条强制性条文中给出了关于台地顶部设计地震动影响系数的调整，明确了当需要在条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石和强风化岩石的陡坡、河岸和边坡边缘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，其值应根据不利地段的具体情况确定，在1.1～1.6范围内采用。
地震力放大作用如下：λ＝1＋ξα
式中：λ——局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数；
α——局部突出地形地震动参数的增大幅度；
ξ——附加调整系数，与建筑场地离突出台地边缘的距离L1与相对高差H的比值有关。
地震力放大作用的规定对各种地形，包括山包、山梁、悬崖、陡坡均实用。因坡地建筑情况复杂，要想规定所有情况几无可能，也无法保证其合理性。在实际工作中，如何既全面贯彻规范精神，又综合考虑各种实际工程条件，是每个结构工程师需要认真考虑的。
5.坡地建筑的稳定性及基础埋深
坡地建筑由于其特殊性，稳定性由为重要，首先是坡地建筑所处的场地的稳定，其次是建筑自身的稳定。场地的稳定是结构设计的前提，场地的稳定应由勘查单位对建设场地进行工程建设的详细勘查，做出稳定性评价，确定边坡的滑移面，对人工边坡提出最优开挖坡角，对可能失稳的边坡提出防护处理措施。同时判断边坡的稳定和治理边坡时，需考虑由于建筑物的存在，在边坡上增加了附加应力，其附加应力对边坡的影响。建筑物的稳定应根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第4.2.4条的规定，验算天然地基地震作用下的竖向承载力时，按地震作用效应标准组合的基础底面平均压力和边缘最大压力应符合p≤faE。对于高宽比大于4的高层建筑，在地震作用下基础底面不宜出现脱离区（零应力区）；其他建筑，基础底面与地基土之间脱离区（零应力区）面积不应超过基础底面面积的15%。若设计中（特别是坡地建筑）不满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第4.2.4条的规定，就说明该建筑质心和刚心偏差较大，建筑存在整体倾覆的安全隐患，应调整建筑的结构平面布置，使质心和刚心尽量靠近，避免质心和刚心偏心过大造成建筑物整体倾覆。
建筑的基础埋深应根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011第5.1.4条的规定执行。坡地建筑当岩石出露较浅且无地下室时，较难满足《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011第5.1.4条的规定。处于岩石地基的建筑，当上部结构满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第4.2.4条的规定的前提下，在满足地基承载力、稳定性要求的条件下，基础埋深可适当放松；对于嵌入平整、完整的坚硬岩和较硬岩的深度不应小于0.2m。无论是何种情况，基础深度应穿过潜在滑动面并深入稳定层不小于0.5m。
6.坡地建筑的基础设计
坡地建筑在层数不多的情况下，对于地貌未改变的地段及挖方地段，原则上尽量采用浅基础；对于填方区，填土较薄时仍首选浅基础，填土较厚及地质条件较差的地段可采用桩（墩）基础。当建筑群存在高差大的地段应设挡土墙对土体进行支挡。坡地上往往持力层埋置的深浅不一，独立柱基基底标高往往不在同一标高处，当超挖深度在1.00m以内时，宜采用级配良好砂石换填，并每200～300mm分层大力夯实。超挖深度在1.00m~3.00m时，宜采用换填和降低基底标高相结合的形式，且应考虑相邻基础的影响。当超挖深度大于3.00m时，应采用桩（墩）基础。坡地建筑由于地型的复杂性同一结构单元常会有不同的基础型式，如独立柱基和桩（墩）基础并存，为了避免建筑产生不均匀沉降，建议在不同基础的交界处设置沉降后浇带。
坡地建筑也常见土岩结合地基，对于石芽密布并有出露的地基，当石芽间距小于2.00m，且石芽间为硬塑或坚硬状态的红黎土时，对于多层建筑，其基底压力小于200kPa时，可不作地基处理。对于大块孤石或个别石芽出露的地基，多层建筑宜在基础与岩石接触的部位采用褥垫进行处理。
7.坡地建筑的构造设计
坡地建筑由于结构自身的特点，常常会出现吊脚、吊层等，其底层的受力较复杂，应根据其受力和变形的特点，在结构设计中针对薄弱部位和受力复杂的部位采取相应的措施。如吊脚、吊层部分抗震等级提高一级，吊脚、吊层部分与正常层之间相连的楼板的板厚适当加厚，纵横两个方向设置具有足够强度和刚度的地梁等。笔者建意可以参照《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010中关于竖向体型收进中的相关要求来加强薄弱部位和受力复杂的部位。
8.结语
随着人们的需求不断提高，坡地建筑越来越多，坡地建筑结构设计中碰到的问体也就不断的出现，地形的合理利用是坡地建筑结构设计中的重要设计原则，只有实现对地形的合理利用和有效的开发，才能保证坡地建筑结构整体合理性。
参考文献
[1]《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011
[2]《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010
[3]《建筑边坡工程技术规范》GB 50330-2002
[4]李英明 赵耀 王丽萍 韩军 《山地建筑结构抗震设计中的特殊问题》
[5]吴帅 谭方《山地建筑结构设计探讨》
作者简介：郭春林 云南省设计院集团Email:641453834@qq.com，邮编：650032
论文作者:郭春林
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第7期
论文发表时间:2017/8/13
标签：坡地论文; 建筑论文; 结构论文; 刚度论文; 建筑结构论文; 基础论文; 标高论文; 《建筑学研究前沿》2017年第7期论文;