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摘要:隨著城市用地日益緊張，為了節(jié)約城市用地，實際工程中經(jīng)常遇到掉層結(jié)構(gòu)，本文通過具體工程實例，對掉層結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計分析、柱底不等高嵌固端設(shè)置、水平地震影響系數(shù)的調(diào)整、擋土墻設(shè)計等問題進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞:掉層結(jié)構(gòu);抗震概念設(shè)計;水平地震影響系數(shù);擋土墻

由于古田縣屬于山區(qū)縣城，山地面積多于平地面積，隨著城市用地日益緊張，為了節(jié)約城市用地，利用自然地貌和坡地地形相適應(yīng)的坡地建筑越來越多，實際工程中經(jīng)常遇到有掉層結(jié)構(gòu)的建筑。所謂掉層結(jié)構(gòu)是指建筑利用坡地高差處的空間，部份結(jié)構(gòu)位于陡坎上部，部份位于陡坎下部，并且最高接地點以下按層高設(shè)置樓面的接地結(jié)構(gòu)。本文通過具體工程實例，對掉層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計概念分析、柱底不等高嵌固端設(shè)置、水平地震影響系數(shù)的調(diào)整、擋土墻設(shè)計等問題進(jìn)行分析探討。

1工程概況

本程為三層框架結(jié)構(gòu)，建筑面積為2296平方米，建筑高度為12．00m，位于福建省古田縣，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類。基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土條型基礎(chǔ)，以粘性土層為持力層，建筑單體立面圖。

2從抗震概念設(shè)計分析出發(fā)，加強掉層結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB2011－2010)第3.4.3條及表3.4.3－2規(guī)定:“該層的側(cè)向剛度小于相鄰上一層的70%，或小于其上相鄰三個樓層側(cè)向剛度平均值的80%”，掉層結(jié)構(gòu)剛度沿豎向突變，豎向構(gòu)件不連續(xù)，明顯屬于豎向不規(guī)則建筑類型，而且由于首層柱底標(biāo)高與基礎(chǔ)相連不在同一標(biāo)高，即底部嵌固端標(biāo)高不同，產(chǎn)生平面剛心向短柱方向偏移，上下層剛心偏心過大，在地震作用下，扭摶效應(yīng)明顯加大，極易形成薄弱層。根據(jù)汶川地震及其它震害圖片分析，掉層結(jié)構(gòu)局部破壞嚴(yán)重，從震害特征分析來看，局部構(gòu)件的破壞不僅發(fā)生在下掉層部位，還發(fā)生在上接地層接地的框架柱處，“研究發(fā)現(xiàn)，破壞的直接原因是強度和剛度不匹配，這時若再無保證框架柱延性的有效措施，破壞會更加嚴(yán)重。所以本工程采取加大下掉層結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度，加大柱斷面尺寸，加大掉層柱剛度，并在邊坡陡坎擋土墻部位設(shè)置200*500的柱肋板與柱相連，在與擋土墻垂直相連的掉層結(jié)構(gòu)兩側(cè)邊，增設(shè)兩道剪力墻來減小陡坎邊坡處土壓力對主體結(jié)構(gòu)的不利影響;同時也加大上接地層接地部位柱斷面尺寸，加大接地部位柱剛度，并且上接地層柱與非接地柱之間設(shè)置拉梁，以增強主體結(jié)構(gòu)的整體性;適當(dāng)加大下掉層與上接地層接地部位柱鋼筋，柱箍筋均全長加密。由此同時還嚴(yán)格控制樓層周期比、位移比、剛度比等指標(biāo)，使其滿足規(guī)范要求。

3柱底不等高嵌固端如何建模設(shè)置

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB2011－2010)第3.5.2條規(guī)定:“結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑”［1］，所以掉層結(jié)構(gòu)的柱底嵌固端正確設(shè)置是計算模型真實合理的關(guān)鍵所在。(1)本工程建模時下掉層柱設(shè)為一層柱，上接地面柱設(shè)為二層，在PMCAD設(shè)計參數(shù)總信息中，修改與基礎(chǔ)相連構(gòu)件的最大底標(biāo)高，即下層結(jié)構(gòu)層高減去此柱至條形基礎(chǔ)頂面高度(3.6－0.6=3.0)，本工程修改為3.0;(2)在接PM生成SATWE數(shù)據(jù)菜單中修改構(gòu)件計算長度系數(shù)，修改上接地面柱構(gòu)件計算長度系數(shù)由原來1.25改為1.0，然后計算形成SATWE數(shù)據(jù)文件。很多設(shè)計人員會忽略這一點，應(yīng)引起注意。

4水平地震影響系數(shù)的調(diào)整

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB2011－2010)［1］第4.1.8條及條文規(guī)定說明:“所謂局部突出地形主要是指山包、山梁和懸崖、陡坎等，情況比較復(fù)雜，對各種可能出現(xiàn)的情況的地震動參數(shù)的放大作用都作出具體的規(guī)定是很困難的”［1］。由此可見，規(guī)范并未明確規(guī)定掉層建筑結(jié)構(gòu)或吊腳層結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)是否需要放大，但根據(jù)汶川地震及其它震害表明，利用坡地地形高差設(shè)計的掉層結(jié)構(gòu)或吊腳層結(jié)構(gòu)震害比周邊平地建筑震害嚴(yán)重多，這就需要設(shè)計人員根據(jù)實際地形地貌具體分析。所以筆者分析認(rèn)為應(yīng)對掉層結(jié)構(gòu)的水平地震影響系數(shù)調(diào)整放大，否則在地震作用下，計算反應(yīng)跟實際結(jié)果相比偏小，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)在地震作用下偏于不安全或安全儲備不夠，而且本條文為強制性條文，設(shè)計人員必須高度重視并嚴(yán)格執(zhí)行。筆者認(rèn)為掉層結(jié)構(gòu)也可根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB2011－2010)［1］第4.1.8條文說明提供的公式:λ=1+ξα(λ為局部突出地形頂部的地震影響系數(shù)的放大系數(shù))來確定掉層結(jié)構(gòu)的地震力放大作用。本工程根據(jù)地勘報告及高程地形圖分析計算:本工程5≤H＜15(H為突出地形高度)，L1/H=5/8=0.625，小于2.5(L1為與突出臺地邊緣距離)，ξ取1.0;H/L=8/35=0.23，小于0.3，查表2，α=0.1(α局部突出地形地震動參數(shù)的增大幅度)，所以λ=1+ξa=1+0.1*1=1.1，即本工程地震影響系數(shù)應(yīng)乘以放大系數(shù)1.1。

5陡坎部位擋土墻設(shè)計應(yīng)注意的問題

為減小邊坡?lián)跬翂χ黧w結(jié)構(gòu)不利影響，盡量采用與主體結(jié)構(gòu)脫離的形式設(shè)置掉層結(jié)構(gòu)陡坎處擋土墻。本工程為了充分利用場地自然地貌，減少場地大挖大填對自然地貌的破壞，節(jié)約工程造價，實現(xiàn)綠色建筑理念，采取鋼筋混凝土擋土墻與主體結(jié)構(gòu)相連設(shè)計，擋土墻與主體結(jié)構(gòu)共同受力的結(jié)構(gòu)體系。(1)擋土墻水平荷載計算:外墻水平荷載包括地面活荷載、側(cè)向靜止土壓力、地下水壓力;地面活荷載側(cè)壓力:Q1=p*ka(p為地面活荷載，ka為靜止土壓力系數(shù));土側(cè)壓力:Q2=ka*γ*h(γ為土的重度，h為擋土墻高度);地下水側(cè)壓力:Q3=γw*h2(γw為水的重度，h2為地下水位高度)。(2)主體結(jié)構(gòu)水平側(cè)推力計算。由于現(xiàn)有PKPM軟件的不完善及局限性，無法輸入擋土墻模型建模，進(jìn)行整體計算，只能當(dāng)作剪力墻輸入模型，擋土墻的水平荷載不能傳導(dǎo)至主體結(jié)構(gòu)，只能通過人工換算為柱間線荷載輸入主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計算，但此近似算法不能完全模擬真實受力狀態(tài)，所以設(shè)計人員必須重視抗震概念設(shè)計，加強抗震構(gòu)造措施來彌補計算軟件的局限性。(3)鋼筋混凝土擋土墻受力配筋計算。本工程擋土墻厚度取300mm，利用理正軟件把鋼筋混凝土擋土墻作為三邊固端、頂部簡支的板構(gòu)件進(jìn)行受力計算配筋。

6結(jié)語

掉層結(jié)構(gòu)是坡地建筑結(jié)構(gòu)中常見的一種結(jié)構(gòu)形式，充分利用場地自然地貌，減少場地土方開挖，與大自然更加和諧融合，這也是現(xiàn)在大力倡導(dǎo)的綠色建筑設(shè)計理念。但由于掉層建筑自身的特殊性，結(jié)構(gòu)剛度沿豎向突變，豎向構(gòu)件不連續(xù)，震害比平地建筑更嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員更應(yīng)該重視抗震概念設(shè)計，結(jié)合實際地形地貌具體分析計算，嚴(yán)格控制設(shè)計的各項指標(biāo)，加強抗震構(gòu)造措施，使掉層結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計更加合理優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

［1］GB2011－2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］．

［2］龍彬．掉層結(jié)構(gòu)設(shè)計中的若干問題研究［D］．重慶大學(xué)，2010.

作者：黃鶴熙 單位：古田縣建筑設(shè)計院