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山地建筑结构设计的几点探讨

发表时间：2021/5/7 来源：《基层建设》2021年第1期作者：张弛

[导读] 摘要：山地建筑依山就势，层次立体，空间变化多样，建筑及结构设计具有特殊性，有利于设计出具有特殊风格的建筑作品，但也对结构设计工作提出了更高的要求。

        中国建筑东北设计研究院有限公司福州分公司福州 350000
        摘要：山地建筑依山就势，层次立体，空间变化多样，建筑及结构设计具有特殊性，有利于设计出具有特殊风格的建筑作品，但也对结构设计工作提出了更高的要求。本文试图从岩土、结构和地震作用等方面从概念模型上进行探讨，希望能够为山地建筑类似工程的结构设计提供帮助。
        关键词：山地建筑结构；吊脚结构；掉层结构；嵌固端；支挡结构
        随着山地建筑的开发，山地建筑结构设计中碰到的特殊问题也越来越多。目前山地建筑结构设计因为场地的高差大，造成地下部分四面岩土相对标高不一致，相差甚至达到数层，原本对地下室起嵌固作用的岩土，因标高不一致不但起不到良好的嵌固作用，而且在地震作用下其有害作用大幅增加，所以结构设计师一般倾向于建筑与土体分开，土体单独护坡，形成各自独立的主体结构模型和支挡结构模型。但单独护坡增加工程造价，建设单位常提出采用建筑外墙兼做支挡结构，这在《山地建筑结构设计标准》（JGJ/T 472-2020）实施前往往是常规考虑的做法。该标准3.1.1条：山地建筑结构不宜兼作支挡结构。当主体结构兼作支挡结构时，应考虑主体结构与岩土体的共同作用及其地震效应[1]。这种情况下结构受力状态如何？本文试图从岩土、结构和地震作用等方面从概念模型上进行探讨，希望能够为山地建筑类似工程的结构设计提供帮助。
        1 地震作用下的山地建筑的受力分析
        当建筑外墙和土体分开，土体单独护坡时，主体结构模型和支挡结构模型相互独立，不存在主体结构与岩土体的共同作用及其地震效应，故在此仅分析地震作用下建筑外墙兼支挡结构的山地建筑模型的受力情况（如图1所示）。

        图1 建筑外墙兼支挡结构的山地建筑模型
        当地面振动时，建筑物在地震作用下来回摆动，且大部分建筑楼层加速度大于地面运动加速度。
        1.1 当地面向右加速运动时
        当地面向右加速运动时，土体也一同和地面向右运动。因土体高于地面，土体加速度会略微小于地面加速度。但建筑因惯性力作用，将向反方向运动，有脱开土体方向的位移（如图2所示）。

        图2 当地面向右加速运动时
        此时的土压力可以考虑为主动土压力，脱开状态下甚至比主动土压力还小或等于0，当结构脱开土体的瞬间，土体可能下滑以至于下沉，这种工况下支挡结构压力小于静止土压力。
        1.2 当地面向左加速运动时
        当地面向左加速运动时，土体也一同和地面向左运动。因土体高于地面，土体加速度会略微小于地面加速度。但建筑因惯性力作用，将向反方向运动，有挤压土体的位移（如图3所示）。

        图3 当地面向左加速运动时
        此时的土压力可以考虑为地震下的被动土压力。此被动土压力并非一个固定值，而是与土体强度相关，如土体为硬岩，达到计算上的被动土压力时，数值可能较大，甚至在土体未破坏时建筑结构已然破坏，因此这是结构设计中应该考虑避免的。
        在正常情况下，土体较硬对建筑结构能起到较好的嵌固作用，且静止土压力较小，在结构受力上有利。但是从上述分析看，地震作用下，土体越硬，可能对建筑的损伤越大。此此被动土压力并非一个固定值，计算分析相对较困难。
        2 地震作用下设置缓冲隔离层山地建筑受力分析
        考虑在硬土与建筑之间构造一层缓冲隔离层，类似易碎品的包装泡沫。当地面向左运动，首先缓冲隔离层被压缩，因缓冲层较柔软，土反力相对较小，较难将背后的硬土层挤压拱起（如图4所示）。

        图4 设置缓冲隔离层的山地建筑模型
        这种模型下可考虑加强挡土楼层的结构刚度。因为刚度越大，地震下位移就越小，越接近下部地面的地震加速度，支挡结构所受土压力就会相当于静止土压力。
        假定挡土楼层位移为1/4000，楼层位移大致在2mm内，这样基本可以考虑其所受土压力接近静止土压力。在挡土外墙后部采用聚笨乙烯防水涂料进行防水防护可以满足一般土质的防水要求。若挡土外墙后部是岩石或坚硬碎石，建议间隔一定的空间，再采用素土分层回填夯实或是设置悬挑结构。此处素土回填夯实主要为了保证室外地面不下陷，并不考虑利用其嵌固作用。这样地震作用下的土压力可以考虑为外荷载进行计算。常规建筑多出这样一个额外的外荷载对建筑地震下的位移、扭转、抗倾覆都是不利的，但有利的是建筑外墙可以兼做支挡结构节约工程造价。
        3 有关资料关于地震作用下土压力的计算综述
        《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）的4.1.8条：山地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[2]。这个地震放大考虑的是局部突出地形对地震动参数的放大作用。解决的并非地震作用下山地建筑的挡土楼层侧土压力荷载的问题。
        《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）给出了复杂的地震作用下的主动土压力计算公式[3]。但按上述分析，建筑地震作用下不利的情况是地震下的被动土压力，远大于地震下的主动土压力，所以边坡规范的地震下的主动土压力并不适用于山地建筑地震下的土压力计算。所以较多资料讲到山地建筑地震计算时见边坡规范似乎不妥。
        《山地建筑结构设计标准》（JGJ/T 472-2020）条文说明3.1.10条：结构外墙兼做支挡结构时，还应考虑建筑结构在地震作用下向边坡移动时产生的土压力，可取被动土压力、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，地震作用下结构传给支挡结构的地震作用可按本标准图5.2.2（c）所示计算模型进行计算[1]。但对被动土压力如何计算并未明确。
        4 结语
        山地建筑结构设计较复杂，土压力是不可忽略的重要荷载，弄清楚地震下的土压力，就可以当做一个等效外荷载来考虑，再用常规办法进行复杂结构的计算。
        加大挡土层建筑的结构刚度是一项必要措施，首先可以使该楼层地震下的位移基本与地面相当，土压力基本等同于静止土压力。其次可以避免在较大的土压力外荷载作用下，产生结构的侧移、扭转、倾覆等问题。
        建筑兼支挡结构的目的是为了节约造价和方便施工，同时方便建筑场地的设计（如避免出现死空间）或用地区域限制（如建筑外紧邻消防道路，无法退让适当距离）等原因，所以要综合考虑，结构设计不应一刀切，全都一分为二为各自独立的主体结构模型和支挡结构模型。
        参考文献：
        [1] 中华人民共和国行业标准.JGJ/T 472-2020，山地建筑结构设计标准 [S].
        [2] 中华人民共和国国家标准.GB50011-2010，建筑抗震设计规范 [S].
        [3] 中华人民共和国国家标准.GB50330-2013，建筑边坡工程技术规范 [S].
        作者简介：
        张弛（1987–），女，宁德寿宁人，中级工程师，现主要从事建筑结构设计方面的研究。