某山地高层建筑结构分析及基础设计探讨

刘建东

(江苏筑森建筑设计有限公司，江苏 常州 213000)

0 引言

随着社会经济发展和人们对居住环境要求的提高，为了节省城市土地资源，与山地自然环境相适应、与山地地貌构造相结合的山地建筑越来越多地出现在一些山地较多的城市中。

与常规建筑相比，因山地地形的限制，建筑结构的底部约束不在同一水平面上，基础的埋深较小，甚至出现埋深为零的情况，此时需要重点关注山地建筑的基础设计问题。此外，山地边坡与主体结构的相互作用和影响也对高层山地建筑结构提出了更严格的要求。因山地建筑结构的特殊性，国家在2020年颁布了行业标准《山地建筑结构设计标准》[1]，针对山地建筑结构的计算和构造提出了一些相应的要求。本文以贵州六盘水凤凰台住宅项目为例，从结构分析、抗震设计、基础设计3个方面总结了一些设计工作中碰到的问题及解决方法。

1 工程概况

六盘水凤凰台住宅项目位于贵州省六盘水市钟山区，本项目包括15个住宅单体，住宅每层层高3.05 m，共25层，总高76.40 m，属于高层剪力墙结构，局部为商业裙房，车库为建筑在多个台地的多层框架结构，项目效果图见图1。本项目位于山坡坡地上，整个场地地形起伏比较大，特别是东北向坡，坡势较大，高差为50 m左右；局部塔楼存在临空范围，塔楼范围内最大高差为6 m左右。

图1 项目效果图

项目所在地区抗震设防烈度7度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度0.10g，场地类别为Ⅱ类，属抗震一般地段，特征周期Tg为0.4 s，基本风压0.35 kN/m2，地面粗糙度B类，结构阻尼比为0.05。基础采用大直径旋挖嵌岩灌注桩承台加局部筏板基础。

本工程的土层顺序依次为素填土、红黏土、基岩。拟建场地范围内及附近地层为石炭系大唐组第二段(C1d2)地层，场地范围内无活动性断层通过，岩层整体呈单斜产出，主要分布为中风化石灰岩，岩层产状8°～12°， 倾向∠26°～30°，受区域地质应力影响，场区岩体节理裂隙发育，局部岩层表面为强风化岩体，岩体较破碎。中风化岩体饱和单轴抗压强度为37.16 MPa,承载力特征值为4 000 kPa，可作为高层主体结构桩基持力层。

2 结构形式及接地结构

山地建筑结合山地地形条件，采用合理的结构接地类型，如掉层、吊脚、附崖和连崖等结构形式(见图2)[2]，最常见的是掉层结构和吊脚结构。掉层结构是指最高接地点以下分层设置楼面结构并与下接地端相连的结构形式，它可利用坡地高差形成的空间。吊脚结构是采用了长短不同的桩或柱将坡地架空成平台的结构形式。

图2 山地建筑结构形式

2.1 塔楼及地库结构形式

地下室按结构形式的不同可分为塔楼范围地下室和纯地下室2部分。本项目塔楼整体采用剪力墙结构，地下室部分采用掉层结构；纯地下室部分(地库)采用框架结构，属于吊脚结构。塔楼有掉层结构，存在天然的结构不规则项，为避免结构的不规则项超限，在塔楼范围和纯地库范围设置结构缝断开(图3)，塔楼可作为单独的结构单元，避免了多塔、质心偏置而带来的特别不规则结构出现。图4为设计的断缝剖面大样，变形内建筑采用热塑性橡胶条充填。

图3 18#主楼地下平面图(单位：m)

图4 断缝大样

2.2 塔楼接地形式分析

塔楼以典型楼栋18#楼为例，地上为25层，高度78.3 m，地下18.75 m(以上接地端按1 836.40 m标高计)，房屋总高度97.05 m。18#塔楼位于小区北侧，原始地形有高差，考虑到施工进度的因素，为减少开挖，在塔楼平面范围靠北侧采用支护方案设计了抗滑桩垂直支挡(图5)，故塔楼局部形成6.5 m高差的掉层结构(图6)。塔楼和北侧临街商业设缝断开，与南侧车库设缝断开，南侧车库底板与18#塔楼底板有6.0 m高差，采用削坡的形式，并与车库部分的吊脚结构相衔接。

图5 18#塔楼接地平面示意图

图6 18#塔楼接地端剖面图

3 塔楼结构整体分析

山地建筑结构因存在掉层，故嵌固端不在同一水平面上，实际上这也是一种竖向不规则结构，需按照规范的竖向不规则指标进行控制，并且采取适当的措施保证底部构件的延性，主要从以下几方面进行。

3.1 结构计算高度

本项目18#塔楼为掉层结构，超过80%的竖向抗侧力构件位于上接地，故房屋的计算高度自上接地端算起，为97.05 m。

3.2 地震作用计算

根据《建筑抗震设计规范》第5.1.4条，项目所在地的水平地震影响系数最大值(αmax)按表1所示。根据《建筑抗震设计规范》第4.1.8条规定，当在岩石陡坡等不利地段建造时，除保证在地震作用下的稳定性外，还应估计不利地段对设计的影响，其水平地震影响系数最大值应乘以增大系数。按照4.1.8条文说明来确定增大系数λ，取λ=1+ξα= 1+1.0×0.1=1.1，地震工况下的水平地震影响系数最大值修正为λαmax。

表1 水平地震影响系数最大值计算

3.3 结构性能控制

根据《山地建筑结构设计标准》《建筑抗震设计规范》[3]及《高层建筑混凝土结构技术规程》[4]中对高层剪力墙结构、山地掉层结构的规定，本项目塔楼计算分析控制指标如下：①掉层结构上接地层的竖向构件的结构重要性系数取1.1；②掉层及上接地层掉层范围内结构抗侧刚度不宜小于上一层相应结构部分的抗侧刚度；掉层层间受剪承载力不小于上层相应部位竖向构件的受剪承载力之和的1.1倍，如图7所示；③掉层部位的扭转位移比限值满足抗震规定；④结构振型数应保证参与质量之和不小于总质量的95%；⑤结构应满足抗倾覆计算要求，抗倾覆系数不小于1.5；⑥掉层结构上接地端楼盖和上接地层楼盖的框架梁按偏拉构件设计构造；⑦关键构件控制：接地层及上接地层竖向构件属于刚度突变的薄弱部位，按中震弹性进行设计。

图7 刚度、受剪承载力计算简图

4 结构抗震设计及构造

对山地建筑而言，其结构设计中的抗震设计一般是从概念设计、计算及构造措施这3方面来进行。其中，概念设计指的是对山地建筑结构的整体抗震性能进行总体把控，一般是通过控制山地建筑结构的高度、高宽比、平面及竖向规则性等方面来实现，而平面和竖向不规则性通常是通过对刚度比、强度比以及扭转效应等指标进行控制来实现的。

在对这些指标进行实际计算时通常会存在2个问题：一是如何按照实际计算，二是计算结果是否适应山地建筑结构特点。为了加强山地建筑的抗震设计，必须要在控制常规地形下建筑指标的基础上结合山地建筑结构的特点进行修正。具体来说，在山地建筑的抗震设计中应主要考虑以下问题。

1)在概念设计中，首先，需要考虑如何确定结构高度界定中的起算点(最高接地点、最低接地点、平均高度)。根据山地建筑结构设计标准及掉层结构计算房屋高度时，当大多数竖向抗侧力构件嵌固于上接地端时宜以上接地端起算，否则以下接地端起算。其次，需要考虑如何合理选取模型计算结构嵌固端，由于山地建筑结构的特点是其底部约束不在同一水平面上，因此其嵌固点也应当根据实际而选择不同的高度来建立模型。

2)在地震力计算中，需要模拟出真实的地震力作用。由于山地建筑结构要与地形环境相适应，所以容易形成单侧、两侧或三侧带约束的地下室，而约束边的土层性质往往直接影响其在地震作用中的受力特点。本项目为避免侧向约束的不确定性，采用结构外支护桩，加上塔楼与地库分缝脱开的措施，一是避免在结构上同时考虑土的作用，二是避免了多塔、质心偏置带来的特别不规则结构出现，这样一来结构的横向作用仅考虑地震作用和风荷载。

3)在抗震构造上，由于山地建筑结构的抗震性能需要使抗震构造具有独特性，因此应当在常规抗震规范的基础上根据山地建筑结构的实际抗震性能进行加强，并对薄弱环节进行有针对性的分析设计。本工程对掉层部分采取抗震等级提高一级的抗震措施；接地端以上与构件、接地端以下与桩的连接均按抗震等级提高一级进行相关构造；接地端底板及上接地端楼盖均满足作为嵌固板的有关要求，同时板内设置双层双向钢筋，并按抗震锚固、搭接要求构造，满足传递地震水平力功能。

5 主楼基础设计

因山地高层建筑具有基础埋深浅甚至没有埋深的建造特性，建造时坡地土体的稳定性及建筑的抗倾覆、抗滑移稳定性设计尤为重要。

5.1 抗倾覆稳定性

抗倾覆设计的主要理念是依据建筑抗震设防水准之“大震不倒”原则，《山地建筑结构设计标准》中规定，7度区罕遇地震下的抗倾覆稳定系数应大于1.5，抗倾覆验算公式如下所示：

Mov

其中：Mov为倾覆力矩；MR为抗倾覆力矩；K为安全系数，7度区取1.5。

本项目18#楼罕遇地震下抗倾覆验算结果如表2、表3所示，分别采用PKPM软件和手动方式计算复核结构在大震下的抗倾覆稳定系数，两者结果保持一致，均不小于1.5，满足结构稳定要求。其中：G为结构自重标准值；B为计算方向上结构宽度；Mov为倾覆力矩，由地震力计算得出，本项目土侧压力为0；MR为抗倾覆力矩，由结构自重形成抵抗矩。软件计算结果显示，Y向为结构的抗震薄弱方向，大震下基底零应力区的范围小于50%，另计算小震下基底零应力区的范围小于15%，均能满足结构安全稳定要求。

表2 抗倾覆计算结果(PKPM计算)

表3 抗倾覆计算结果(手动计算复核)

5.2 抗滑移稳定性

高层建筑基础的抗滑移力主要包括基底的摩擦力、桩的水平承载力、地下室侧面土的抗力[5]。本项目塔楼经分析没有地下室埋深，周边土体对建筑本身没有抗力，基底的摩擦力由于桩基的存在故不能考虑，故本项目抗滑移力仅考虑桩基的水平承载力。

本项目18#楼基础采用大直径灌注桩+承台筏板的形式，如果在罕遇地震的瞬时作用下桩的水平承载力不足会导致桩体破坏，并导致结构的损坏，且不可恢复，因此本项目采取以下2种计算方法及构造措施来保证桩基的承载力。

1)在竖向荷载计算下完成布桩后，根据桩基规范计算每根桩的单桩水平承载力特征值，采用软件计算罕遇地震下的基底剪力传递给每根桩的水平剪力，通过比较两者确定桩基的数量是否满足要求。经验算，本项目塔楼的桩基水平承载力满足要求。

2)桩基嵌固的岩层上存在坡向的红黏土分布，并且由于山地地形的原因，土体存在危险滑裂面，设计上为保证桩基稳定，要求桩基需嵌入滑裂面以下2.5 m，并保证嵌岩深度，桩体高于滑裂面以上的部分按框架柱进行计算分析，并按照框架柱的要求设计配筋，该计算基于罕遇地震下的桩抗弯不屈服和抗剪弹性进行分析设计，以保证桩在强震下的稳定性。

6 结论

在本文案例的18#塔楼结构设计中，为规避结构的不规则项，避免因掉层结构带来的特别不规则情况，通过结构设缝的措施，将塔楼与周边纯地库范围设缝脱开，并设计了结构缝的大样做法。

对18#塔楼地下室部分采取了掉层结构形式，通过支护桩及削坡的岩土工程措施，使山地坡体与主体结构不产生相互作用。在结构的整体分析设计上，根据规范的要求及结构性能要求，进行了一系列计算以分析结构性能，着重讨论了与常规建筑不同掉层的范围刚度计算、受剪承载力计算、位移比计算等，计算结果表明设计满足山地结构的性能要求。

对山地建筑结构的抗震设计，给出了在抗震概念设计、结构计算高度、地震力计算和抗震构造措施上的一些问题处理方法和应对措施。

对山地高层建筑的基础设计，由于山地地形的特殊性，天然存在基础埋深不足的问题，根据规范及一些文献的研究，重点分析结构基础埋深不足时在罕遇地震下的整体抗倾覆和基础抗滑移的稳定性。计算了本项目18#楼结构在罕遇地震下的整体抗倾覆性能满足要求；对桩基进行了大震下性能设计并计算桩基水平承载力，计算结果满足抗滑移的要求及桩基安全要求。