淺談坡地建筑結(jié)構(gòu)建模分析與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

摘要：坡地建筑通常存在場(chǎng)地高差大地質(zhì)情況復(fù)雜等問(wèn)題，對(duì)于帶有地下室的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)建模中對(duì)地下室參數(shù)定義及地下室底板及基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一些問(wèn)題值得探討。文章結(jié)合某實(shí)際工程案例，對(duì)坡地建筑的結(jié)構(gòu)建模與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)難點(diǎn)進(jìn)行探討分析，并給出施工方法的一些建議。

關(guān)鍵詞：坡地建筑；地下室；結(jié)構(gòu)建模；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

坡地建筑不僅可以滿(mǎn)足正常使用性能，還可以因地制宜，充分利用土地資源，符合綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)許多城市都進(jìn)行坡地建筑的開(kāi)發(fā)利用，坡地建筑以其特有的錯(cuò)落有致的變化，使建筑具有與環(huán)境融為一體的優(yōu)勢(shì)。然而，在高差較大、地形復(fù)雜的坡地建造的建筑物，基礎(chǔ)持力層不在同一標(biāo)高上，且標(biāo)高相差較大。坡地建筑由于基礎(chǔ)持力層高差大，特別是帶地下室的建筑，常會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型與實(shí)際工況不一致的問(wèn)題，因此，這就要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員根據(jù)坡地建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，利用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行合理的建模分析。本文通過(guò)對(duì)位于坡地上的某公共建筑進(jìn)行研究，給出了合理的建模措施和設(shè)計(jì)方案。

1帶地下室坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

1.1上部結(jié)構(gòu)建模問(wèn)題

坡地建筑通常在建筑的一個(gè)或兩個(gè)方向存在較大的場(chǎng)地高差，對(duì)于帶地下室的坡地建筑，其地下室通常存在一側(cè)有覆土，一側(cè)對(duì)外敞開(kāi)的半地下室情況。半地下室只在一側(cè)或者兩側(cè)有覆土約束，與傳統(tǒng)地下室情況不同，對(duì)于結(jié)構(gòu)建模中地下外墻的定義及地下室層數(shù)的定義存在一定的爭(zhēng)議性。而在模型計(jì)算中，這點(diǎn)直接影響到結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則問(wèn)題。結(jié)構(gòu)建模中應(yīng)結(jié)合具體的場(chǎng)地情況和建筑條件，合理地定義地下室外墻剛度和地下室層數(shù)，合理考慮部分覆土對(duì)半地下室的有效約束作用，避免模型計(jì)算中出現(xiàn)嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。同時(shí)應(yīng)有概念設(shè)計(jì)的意識(shí)，合理分析軟件計(jì)算結(jié)果，從概念的角度，加強(qiáng)非覆土部位的結(jié)構(gòu)剛度，減小剛度不均勻，減輕結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

1.2地下室底板的建模問(wèn)題

帶地下室坡地建筑，其持力層標(biāo)高變化較大，地下室底板通常存在部分區(qū)域位于基礎(chǔ)持力層，部分區(qū)域距離基礎(chǔ)持力層較遠(yuǎn)的情況。因此會(huì)存在部分區(qū)域底板為筏板（或獨(dú)基+防水板）、部分區(qū)域底板為梁板結(jié)構(gòu)的掉層問(wèn)題?，F(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件無(wú)法實(shí)現(xiàn)部分為基礎(chǔ)，部分為上部結(jié)構(gòu)的建模計(jì)算，因此不能按傳統(tǒng)的上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)獨(dú)立建模的設(shè)計(jì)方法。通常對(duì)于底板為基礎(chǔ)的區(qū)域可在基礎(chǔ)模塊中建模計(jì)算，而掉層部位應(yīng)在上部結(jié)構(gòu)建模中單獨(dú)按梁板結(jié)構(gòu)建模計(jì)算其梁板配筋。掉層部位的基礎(chǔ)可與底板為基礎(chǔ)區(qū)域一同建模計(jì)算其承載力，但應(yīng)考慮其上部底板的梁板荷載及回填土荷載的不利影響。

1.3坡地建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問(wèn)題

根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，要求坡地建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)：滿(mǎn)足上部建筑的承載能力、滿(mǎn)足上部建筑的沉降變形要求、滿(mǎn)足建筑整體穩(wěn)定性要求。基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的荷載較小時(shí)，天然淺基礎(chǔ)是一種經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)形式，開(kāi)挖深度小、工程造價(jià)低。當(dāng)持力層埋藏相對(duì)較深，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的荷載較大，采用人工挖孔樁基礎(chǔ)成孔簡(jiǎn)單成樁質(zhì)量好造價(jià)低，提供足夠的承載力和良好的經(jīng)濟(jì)性。為了防止不均勻沉降，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定同一結(jié)構(gòu)單元基礎(chǔ)不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基上。而坡地建筑的持力層高差起伏較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)地勘報(bào)告，準(zhǔn)確地還原整個(gè)場(chǎng)地持力層的標(biāo)高狀況，合理準(zhǔn)確地確定基礎(chǔ)底標(biāo)高。對(duì)于基礎(chǔ)埋深不同產(chǎn)生的長(zhǎng)短柱，應(yīng)針對(duì)性地加強(qiáng)柱子的截面與配筋，避免柱子的剪切破壞。

2某坡地建筑實(shí)際工程項(xiàng)目的建模設(shè)計(jì)探討

2.1工程概況

本工程為合肥肥西縣上派鎮(zhèn)公祭堂項(xiàng)目，位于坡地上，為骨灰存放與祭祀用房，結(jié)構(gòu)類(lèi)型為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)類(lèi)型為獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板。總建筑面積6800m2，地下1層，地上3層，建筑的總體高度12.3m。結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限50年，工程結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)?；撅L(fēng)壓：W0=0.35kN/m2（重現(xiàn)期50年），地面粗糙度為B類(lèi)，基本雪壓：S1=0.60KN/㎡（重現(xiàn)期50年）。本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，擬建場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅰ1類(lèi)，多遇地震作用下水平地震影響系數(shù)最大值ɑmax=0.080。抗震設(shè)防類(lèi)別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)，抗震等級(jí)為三級(jí)。下面對(duì)該工程中的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)部分設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。本工程使用北京構(gòu)力科技有限公司編制的結(jié)構(gòu)分析程序PKPM（2021V1.2版）進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。地震作用和風(fēng)荷載按兩個(gè)主軸方向進(jìn)行計(jì)算。地震作用計(jì)算采用振型分解反應(yīng)譜法，計(jì)入雙向地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。

2.2上部結(jié)構(gòu)建模設(shè)計(jì)的問(wèn)題

該建筑場(chǎng)地西高東低，東西高差約5m，地下室西側(cè)和南側(cè)為地下室外墻，北側(cè)和東側(cè)為地外敞開(kāi)。結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。假定結(jié)構(gòu)嵌固端位于基礎(chǔ)處，分別以1層地下室和0層地下室、擋土墻按剪力墻和深梁建模計(jì)算，對(duì)比地震力作用下各方向的水平力作用下的樓層層間最大位移與層高之比(Δu/h)和扭轉(zhuǎn)位移比，結(jié)果指標(biāo)如表1。由表1計(jì)算結(jié)果可知，剪力墻和深梁的建模中，地下室層數(shù)對(duì)層間位移角(Δu/h)沒(méi)有影響，按深梁建模比按剪力墻建模的層間位移角(Δu/h)稍有增加，變化幅度在2.6%，基本可以忽略不計(jì)。擋土墻按剪力墻建模時(shí)，地下室層數(shù)的定義對(duì)結(jié)果影響較大，當(dāng)按剪力墻+零層地下室建模時(shí)，扭轉(zhuǎn)位移比大于1.5，屬于扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重不規(guī)則。按剪力墻建模時(shí)，剛度偏心較大，若不考慮地下室回填土約束的有利作用，指標(biāo)比較難以滿(mǎn)足規(guī)范要求。按深梁建模時(shí)，地下室層數(shù)為1層和0層時(shí)，結(jié)果相差不大，且均不屬于嚴(yán)重不規(guī)則。因深梁的剛度較剪力墻較小，結(jié)構(gòu)本身的剛度偏心較小，地下室回填土約束作用對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)影響較小。但坡地建筑西側(cè)和南側(cè)有覆土，北側(cè)和東側(cè)無(wú)覆土，模型無(wú)法模擬這種回填土的約束作用。故上部結(jié)構(gòu)建模時(shí)宜按0層地下室建模。由上述對(duì)比可知，考慮到本工程基礎(chǔ)形式為獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板，地下室外墻底部與防水板的連接剛度不可等效為絕對(duì)嵌固，剪力墻更加接近于兩端固接于框架柱的深梁，故上部結(jié)構(gòu)可采用深梁+0層地下室模型建模計(jì)算，土壓力可以轉(zhuǎn)換為線(xiàn)荷載作用在柱上。同時(shí)可按剪力墻+0層地下室復(fù)核結(jié)構(gòu)因扭轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的薄弱部位，對(duì)薄弱部位的梁柱進(jìn)行加強(qiáng)處理。

2.3地下室基礎(chǔ)建模設(shè)計(jì)的問(wèn)題

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，擬建場(chǎng)地主要持力層分布穩(wěn)定，無(wú)液化土層分布，場(chǎng)地內(nèi)分布有均勻的中硬土，綜合判別擬建場(chǎng)地屬抗震一般地段。根據(jù)本次外業(yè)鉆探、原位測(cè)試，擬建場(chǎng)地巖土構(gòu)成層序自上而下可分為①層填土、②層黏土、③1層強(qiáng)風(fēng)化砂巖、③2層中風(fēng)化砂巖。各土層厚度均勻，但天然地面標(biāo)高落差大，自西向東絕對(duì)標(biāo)高標(biāo)高由60m變化至50m。典型地質(zhì)剖面圖如圖2所示。建筑±0.000相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高均為59.350m，地下室層高3.9m。由于②層黏土局部缺失，層厚0.30～1.00m，故以厚度較好的③1層強(qiáng)風(fēng)化砂巖為持力層，以減小因持力層不同而造成的地基不均勻沉降，承載力特征值為300kPa。建筑的西側(cè)一半部分的地下室底板直接落在持力層上，而中軸線(xiàn)開(kāi)始自西向東，持力層標(biāo)高逐漸降低，基礎(chǔ)埋深逐漸加深，形成臺(tái)階式基礎(chǔ)?；A(chǔ)模型如圖3所示。由于場(chǎng)地內(nèi)天然地面起伏較大，需要進(jìn)行大面積、高厚度的回填土，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮不利影響，基礎(chǔ)計(jì)算考慮回填土的覆土重，將回填土自重按附加恒荷載輸入到基礎(chǔ)上。獨(dú)立基礎(chǔ)變標(biāo)高時(shí)，應(yīng)根據(jù)土質(zhì)類(lèi)別的不同，滿(mǎn)足一定的放坡比例，按照放坡比例和基礎(chǔ)凈距，合理確定各基礎(chǔ)埋置深度。對(duì)于帶地下室的坡地建筑的抗浮問(wèn)題，由于地下室一半埋置于地下，一半上臺(tái)出天然地面，故設(shè)計(jì)時(shí)很難明確地下室的抗浮水位，且這種地形處一半不會(huì)形成地下積水，故可不進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。

2.4地下室底板建模設(shè)計(jì)的問(wèn)題

本工程地下室底板采用獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板，但這種做法在基礎(chǔ)標(biāo)高變化時(shí)會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。在建筑的西側(cè)部分，基礎(chǔ)直接落在持力層，防水板可與基礎(chǔ)做到頂標(biāo)高一平，屬于常規(guī)的地下室做法。但在東側(cè)基礎(chǔ)標(biāo)高落差處，防水板與基礎(chǔ)的最大高差將近5m，形成掉層結(jié)構(gòu)。此時(shí)應(yīng)在地下室底板標(biāo)高處和框架柱之間做一層梁板結(jié)構(gòu)，以梁板結(jié)構(gòu)形式承擔(dān)地下室荷載。同時(shí)可以加強(qiáng)不同標(biāo)高處基礎(chǔ)之間的聯(lián)系，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，避免建筑物的不均勻沉降和局部滑移。若此部分梁板結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)模型中用基礎(chǔ)拉梁加防水板建模，則配筋計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)異常，因現(xiàn)有的基礎(chǔ)建模軟件無(wú)法進(jìn)行這種上部結(jié)構(gòu)加基礎(chǔ)的聯(lián)合建模，在基礎(chǔ)模塊中建立上部模型會(huì)照成計(jì)算結(jié)果失真。故基礎(chǔ)變標(biāo)高區(qū)域的地下室底板配筋計(jì)算，應(yīng)在上部結(jié)構(gòu)中單獨(dú)建模計(jì)算。在進(jìn)行地基承載力計(jì)算時(shí)，可在基礎(chǔ)模型中按防水板建模以倒算荷載，但應(yīng)注意此時(shí)上部模型中不再建此區(qū)域梁板結(jié)構(gòu)，以免重復(fù)計(jì)算荷載。

2.5帶地下室坡地建筑施工的注意事項(xiàng)

帶地下室坡地建筑的施工方法不同于傳統(tǒng)的地下室結(jié)構(gòu)的施工流程，施工時(shí)應(yīng)因地制宜，根據(jù)具體的天然場(chǎng)地條件和結(jié)構(gòu)形式，合理地確定施工工藝流程。就本工程為例，由于天然場(chǎng)地東西高差較大，部分地下室埋置于天然地面以下，部分地下室架空于天然地面以上，地下室底板下需要大量的土方回填。而獨(dú)立基礎(chǔ)更是位于兩個(gè)結(jié)構(gòu)層面上，故無(wú)法按照傳統(tǒng)的先施工獨(dú)立基礎(chǔ)后施工上部結(jié)構(gòu)的流程。應(yīng)先施工埋深較地下室底板深的獨(dú)立基礎(chǔ)，然后回填土至底板標(biāo)高，最后再施工地下室底板和外墻。但應(yīng)注意在回填獨(dú)立基礎(chǔ)上的覆土?xí)r，應(yīng)均勻回填，避免單側(cè)回填造成基礎(chǔ)或柱子的傾斜，影響后續(xù)上部結(jié)構(gòu)的施工及結(jié)構(gòu)安全。

3結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際工程案例，通過(guò)不同建模方式的對(duì)比，對(duì)帶地下室的坡地建筑的結(jié)構(gòu)建模和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)給出了合理建議，并對(duì)施工方法施工進(jìn)行了分析。得出了如下幾條結(jié)論：①上部結(jié)構(gòu)可采用深梁+0層地下室模型建模計(jì)算。同時(shí)可按剪力墻+0層地下室復(fù)核結(jié)構(gòu)因扭轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的薄弱部位，對(duì)薄弱部位的梁柱進(jìn)行加強(qiáng)處理。②場(chǎng)地內(nèi)需要進(jìn)行大面積、高厚度的回填土?xí)r，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮回填土的不利影響。③掉層結(jié)構(gòu)處應(yīng)在地下室底板標(biāo)高處在框架柱之間做一層梁板結(jié)構(gòu)，以梁板結(jié)構(gòu)形式承擔(dān)地下室荷載。④施工時(shí)應(yīng)因地制宜，根據(jù)具體的天然場(chǎng)地標(biāo)高狀態(tài)和建筑結(jié)構(gòu)形式，合理地確定施工流程。

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