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建筑科学类论文 坡地建筑结构设计探讨

2018-12-07 15:34:44来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘 要

  我国是一个多山的国家,很多大中城市及乡镇地面起伏,地面坡度较大。随着我国城镇化建设的快速发展,为了节约耕地,城镇建设上山日益普遍。现代坡地建筑已经突破了传统建筑的经验和模式,在常规建筑的基础上,出现了掉层、吊脚、附崖、连崖等多种结构形式,甚至出现了掉层高层建筑和吊脚高层建筑。现代坡地建筑在交通组织、建筑布局、基础选型与设计、结构选型与布置、设计理论与方法等诸多方面存在特殊性。虽然坡地建筑工程大量涌现,但是其设计理论和处理措施相对滞后。本文通过对坡地建筑结构受力特点的分析,以金山岭国际射击场馆项目为例阐述了坡地建筑结构挡土墙设计、地基基础设计及上部结构设计中常遇问题及处理办法。

  我国是一个多山的国家,很多大中城市及乡镇地面起伏,地面坡度较大。随着我国城镇化建设的快速发展,为了节约耕地,城镇建设上山日益普遍。现代坡地建筑已经突破了传统建筑的经验和模式,在常规建筑的基础上,出现了掉层、吊脚、附崖、连崖等多种结构形式,甚至出现了掉层高层建筑和吊脚高层建筑。现代坡地建筑在交通组织、建筑布局、基础选型与设计、结构选型与布置、设计理论与方法等诸多方面存在特殊性。虽然坡地建筑工程大量涌现,但是其设计理论和处理措施相对滞后。坡地建筑结构设计存在诸多设计难点,如建筑周边地面高差大,结构嵌固部位难以确定;结构容易发生扭转效应;结构地下室周边土体相互作用机理复杂;现有计算分析方法不适用等。坡地建筑结构与平地建筑比较,更复杂,可能存在竖向和平面均不规则的情况,以前的设计依据尚不充分,现行规范的很多指标、规定是基于一般平地建筑而确定的,有较明确的结构分层概念,也不完全适用于坡地建筑,结构设计人员在进行坡地建筑的结构设计时,往往无据可依,按现行的抗震规范设计,有些控制指标又很难满足。

  本文通过对坡地建筑结构受力特点的分析,以金山岭国际射击场馆项目为例阐述了坡地建筑结构挡土墙设计、地基基础设计及上部结构设计中常遇问题及处理办法。

  一、工程概况

  金山岭国际射击场馆位于河北省承德市滦平县,与北京密云相邻。地上建筑面积11256 m2,地下建筑面积1484 m2,包括50米靶场、25米靶场、10米靶场、飞碟靶场两片、枪弹库以及餐饮中心。地上4层,地下1层。

  基本风压标准值:0.40kN/m2,地面粗糙度为B类。基本雪压标准值:0.3kN/m2。拟建场地的抗震设防烈度为7度,基本地震加速度值为0.10g,设计分组为第三组。建筑场地类别为 = 2 \* ROMAN II类。设计使用年限:50年。建筑结构安全等级:二级。抗震设防类别:标准设防类。地基基础设计等级:丙级。

  各单体平面布置图

  射击场北侧及西侧室外地面标高为396.500m,东侧室外地面标高为386.700m,南侧室外地面为386.700~396.500的斜坡。射击场由左右两部分组成,左侧为50m靶场(含10m靶场),右侧为25m靶场。50m靶场首层室内地面标高为391.500m,25m靶场首层室内地面标高为387.300m。50m靶场首层室内地面与北侧室外有5m高差,25m靶场首层室内地面与北侧室外地面有9.2m高差。50m靶场与25m靶场首层地面间有4.2m高差。

  二、坡地建筑结构形式及接地类型

  坡地建筑结构主要有如图所示的掉层、吊脚、附崖和连崖等几种形式,其中较为常见的是掉层结构和吊脚结构。

  (a) 掉层 (b) 吊脚 (c) 附崖 (d) 连崖

  坡地建筑结构形式

  掉层结构接地类型主要分为两类:(a)脱开式和(b)连接式。(a)脱开式即边坡与结构脱开,边坡单独设置支护结构,上、下接地端嵌固,区分上接地面与掉层部分是否设置拉梁又分为无连梁和有连梁脱开式;其中无连梁脱开式,当上接地部分较少时(如小于15%左右)上接地可采用滑动支座或隔震支座即形成上接地滑动脱开式;(b)连接式即边坡与结构不脱开,结构挡墙兼做挡土墙,上、下接地端嵌固,区分挡墙是否设置锚杆又分为无锚杆连接式和有锚杆连接式,边坡支护采用锚杆挡墙时,使主体结构与边坡紧紧相连,结构可受到边坡带来的拉、压力。实际工程中,应根据工程实际情况和现场地形、地质情况等综合确定合适的接地类型。

  无连梁 有连梁 无锚杆 有锚杆

  (a)挡土墙单独设置(脱开式) (b)掉层结构兼做挡土墙(连接式)

  接地类型

  吊脚结构接地类型分为架空式和半架空式,架空式即结构底部全部处于架空范围,竖向构件长度各不相同,半架空式即部分竖向构件架空,部分竖向构件起于上接地面。

  三、挡土墙设计

  (一)坡地建筑挡土墙设计要点

  坡地建筑中,设计好挡土墙的意义重大,挡土墙是影响到上部结构设计的关键。挡土墙的设计及施工中都应遵循安全、经济、合理的原则,从实际场地出发,结合地形地质条件及使用要求,因地制宜,以取得最好的社会效益。山区地形地质条件千变万化,每个工程都有其特殊性。工程设计时根据实际情况,因地制宜,力求达到挡土墙与建筑物的完美组合。通常坡地建筑挡土墙设计做法有两种:(1)挡土墙与主体结构脱开。该做法受力明确,并有利于室内防水及防潮,但挡土墙单独设置会增加岩土的开挖量,延长工期并增加工程造价,而且挡土墙与主体结构分开施工会使施工周期加长,同时由于挡土墙单独设置,建筑使用空间变小,不符合业主要求。(2)结合主体结构布置挡土墙。该做法将挡土墙与相应部位主体结构联合设计,底板、顶板及挡土墙等组成合理的空间结构,可避免方案(1)的缺点。

  对于结合主体结构布置的挡土墙,在静止土压力及水压力作用下,挡土墙计算模型按1m板带宽度,上端简支、下端固定的单向板进行计算,土压力按静止土压力取值,K取0.5。对于与主体脱开、单独设置的挡土墙,除满足强度要求外,在覆土、墙身自重、上部结构自重、及土压力、水压力共同作用下,其抗滑移及抗倾覆稳定性应满足规范要求。在墙身设计中,通过适当增加墙趾外挑尺寸,利用其上土自重增加挡土墙的抗滑移摩阻力及抗倾覆力矩,同时缓解墙背土压力及稳定土壤性质。由于挡土墙内侧为地下室,不能直接设置泄水孔,因此宜在挡土墙背面底部及中部设置排水盲沟,沿挡土墙顺坡导入地下室外侧边沟。

  (二)本工程挡土墙选型

  由于掉层高度越大,掉层结构不规则性越显著,且边坡稳定性更难控制,边坡治理难度更大,因此《山地建筑结构设计规范》(征求意见稿)规定山地建筑结构布置应符合现行国家标准规定。掉层结构两相邻嵌固端之间的掉层高度,当为岩质边坡时,设防烈度6、7、8度区分别不宜大于20m、15m和10m;当为土质边坡时,设防烈度6、7、8度区分别不宜大于10m、8m和5m。

  当山地建筑主体结构兼作挡土墙时,结构、挡墙和岩土间会产生静力和动力相互作用,应采取适当的方法充分考虑其不利影响,需将岩土静力或动力地震作用到挡墙与主体结构组成的结构体系上,岩土体对其产生的静力作用和动力地震作用应区分岩质和土质分别按照《建筑边坡工程技术规范》GB50330中坡顶有重要建筑物基础时的情况确定,地震角取值与《建筑抗震鉴定标准》GB50023相同。

  本工程为土质边坡,50m靶场周围挡土墙挡土高度在5m左右,采用结合主体结构布置挡土墙方式。50m靶场与25m靶场间挡土墙挡土高度4.2m,采用结合主体结构布置挡土墙方式。25m靶场南侧挡土墙挡土高度在4.2m左右,采用结合主体结构布置挡土墙方式。25m靶场北侧及餐饮中心周边挡土墙挡土高度在9.2米左右,采用与主体结构脱开方式布置扶壁式钢筋混凝土挡土墙。挡土墙布置如下图所示:

  挡土墙平面布置图

  50m靶场及25m靶场首层地面均设置刚性地面,形成地下室外墙支座,减小外墙计算高度。50m靶场挡土墙与25m靶场挡土墙之间断缝加设膨胀止水带。

  四、地基基础设计

  (一)坡地建筑地基基础设计要点

  根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)要求,坡地建筑基础设计应满足以下几点:①满足上部建筑的承载能力要求;②满足上部建筑的沉降变形要求;③满足建筑整体稳定性要求。

  当持力层埋藏较浅且分布均匀时,首先考虑的是天然浅基础,上部结构传至基础的荷载较小时,天然浅基础是一种经济合理的基础形式,开挖深度小,工程造价低。 当持力层埋藏相对较深,分布起伏变化,上部结构传至基础的荷载较大时,浅基础承载力已不能满足要求,此时可采用人工挖孔墩基础,成孔简单,成墩质量好,造价低,即能提供足够的承载力又有良好的经济性。 当基岩埋藏很深时,人工开挖需穿越较厚的岩土层,施工难度较大,建议采用钻孔灌注桩、可适应较深的持力层,但工程造价相对较高。

  为了防止不均匀沉降,《建筑抗震设计规范》(2016年版)第3.3.4条规定:①同一结构单元基础不宜设置在性质截然不同的地基上;②同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基。然而在山坡地区,当基岩面起伏较大时,不可避免选择多种土层作为其持力层,常常会出现一栋楼基础大部分落在土层上,而另外一小部分落在岩石层上,这样土层上的基础沉降较大,而基岩上的基础沉降很小,造成不均匀沉降,严重的会导致建筑结构的破坏。针对这种情况,可采取以下两种解决办法:①可在基础与岩石接触区域采用褥垫层进行处理,褥垫可采用炉渣、中砂、粗砂等材料,厚度宜取300~500mm,使基础在此有一定沉降量以均匀土层与岩层之间的沉降差。②采用墩基础和浅基础结合的形式,持力层均在基岩上。如果基岩表面倾斜度较大时,若基础直接落在倾斜岩面上,容易产生滑移,建筑物不稳定。可考虑在基础下布设岩石锚杆,以解决基础滑移问题,锚杆应满足抗拔承载力要求。相邻柱的基础高差应小于两基础间水平净距的1/2。

  (二)本工程地质概况及基础选型

  本工程在钻探所达深度范围内,场地地层共分四层。依次为素填土、粉土、圆砾、片麻岩。各土层的技术参数如下:

  地层

  编号岩土

  名称地基承载

  力特征值

  (KPa)压缩模量

  Es

  (MPa)变形模量

  Eo

  (MPa)极限端

  阻标准值

  (KPa )极限侧

  阻标准值(KPa )内摩擦角φ(°)粘聚力C(Kpa)②粉土1104----351810③1粉土1104351810③圆砾280212800135350④1强风化片麻岩400----2200160----④2中风化片麻岩2000----饱和单轴抗压强度标准值采用25Mpa--本工程典型地质剖面如下图所示:

  依据地勘报告建议及基础持力层埋深情况,最终确定本工程基础持力层为③层圆砾及④1层强风化片麻岩,基础形式为柱下独立基础。射击场基础底标高自西向东逐级降低,由-3.300米逐渐降低到-7.900m。下图为现场基坑开挖情况(由东向西拍摄):

  五、上部结构设计

  (一)斜坡地面结构受力特点分析

  斜坡地面结构可分为短向坡地结构、长向坡地结构和双向坡地结构。为了便于分析比较,以一矩形框架结构为例,分别建立四种计算模型并分别考虑地面高差为1层和2层的情况。

  模型A-平地

  模型B-短向坡地

  当地面短向出现坡度后,地下室结构的自振周期略有加长。随着地下室外墙在短向高差的增大,结构自振周期加长幅度变大,X方向平动振型与扭转振型的耦联程度增强。

  模型B1第3层的侧向位移和层间位移角均有明显增大。模型B2从第2层起其侧向位移和层间位移角明显增大。模型B1、B2第3层顶位移接近于零。对于短向坡地建筑,地下室墙体的顶点部位(最高点)相当于上部结构的嵌固部位。

  模型B1和模型B2,X方向在3层的扭转位移比达1.5左右,在Y向,模型B1和模型B2在3层以上与模型A的曲线基本重合,均为1.2左右。结构层间位移角的绝对值很小,虽然扭转比偏大,但可适当放松。

  模型B1和模型B2在X方向的最大侧向刚度比均出现在3层,Y向最大侧向刚度比均出现在2层,且侧向刚度比相对模型A明显减小。

  模型C-长向坡地

  与短向坡地模型相比,长向坡地模型自振周期较长,耦联效应更为明显。随着地下室外墙在长向高差的增大,结构自振周期增大幅度加大,Y向平动振型与扭转振型的耦联程度增强。

  X方向侧向位移和层间位移角,模型C1与模型C2均与模型A非常接近。在Y向3层及以上各层的侧向位移明显大于模型A,3层处的层间位移角增大更为明显。随着地下室高差的加大,4层高度以下的层间位移角差异很大,但5层及以上各层的层间位移角均比较接近。

  长边坡地模型的扭转效应明显大于短向坡地模型。模型C1与模型C2在X方向的扭转位移比均为1.05左右,4层以上与平地模型A完全相同。Y方向地震作用下的扭转效应下大上小,最大扭转位移比均出现在3层。

  随着地面高差增大,地下室侧向刚度的峰值逐渐下移。

  模型D-双向坡地

  随着地下室外墙总高差的增大,结构自振周期加长幅度变大,平动振型与扭转振型的耦联程度增强。与单向坡地模型相比,双向坡地模型在X方向与Y方向的侧向位移和层间位移角均显著增大。扭转位移比地下室顶标高附近最大,向上逐渐减小。模型D2在X方向和Y方向的扭转位移比明显大于模型D1。模型D1最大侧向刚度比出现在2层,模型D2最大侧向刚度比出现在1层。随着地面高差增大,地下室的侧向刚度峰值逐渐减小

  通过对不同类型斜坡地面结构的分析,可以得出以下结论:坡地建筑地下室侧向刚度小,结构自振周期加长,平动振型与扭转振型相互耦联。水平地震作用下,地下室墙体顶点楼层的侧向位移与层间位移角显著大于平地建筑。坡地建筑嵌固部位随地面坡度增大而下移,地面坡度越大对上部结构的嵌固作用约弱。地面倾斜方向对结构受力性能影响大,短向坡地地下室对上部结构嵌固效果好,长向坡地次之,双向坡地建筑最差。应对地下室外墙斜顶采取局部补齐措施,避免因短柱引起剪力突然增大。坡地建筑地下室顶板及其下部相邻层楼板应力与楼面梁轴力显著加大。地下室顶板及以下相邻楼板对于协调结构整体变形作用非常关键,应采取相应加强措施。

  (二)本工程地上结构布置及局部加强措施

  50m靶场采用框架结构体系,主体与北侧靶道连为一个整体,参见结构三维透视图。南侧斜挡土墙,满足建筑功能前提下尽量做到斜墙补齐到顶,避免形成短柱,无法避免短柱部位,柱箍筋全高加密并满足体积配箍率要求。396.500标高结构楼板采用160mm厚现浇钢筋混凝土楼板,双层双向配筋。靶场东侧391.500~396.500标高增设南北向剪力墙,控制结构扭转效应。

  50m靶场结构布置

  25m靶场采用框架结构体系,因结构主体与挡土墙脱开设置,25m靶场主体与北侧靶道间设置抗震缝,脱开设置,参见结构三维透视图。南侧斜挡土墙,满足建筑功能前提下尽量做到斜墙补齐到顶,避免形成短柱,无法避免短柱部位,柱箍筋全高加密并满足体积配箍率要求。391.500标高结构楼板采用160mm厚现浇钢筋混凝土楼板,双层双向配筋。靶场东侧387.300~391.500标高增设东西向剪力墙,控制结构扭转效应。

  25m靶场结构布置

  50m靶场结构建模计算过程中分别选择391.500标高及396.50标高为嵌固端进行包络设计。25m靶场结构建模计算过程中分别选择387.300标高及391.50标高为嵌固端进行包络设计

  六、小结

  随着我国城镇化建设的发展,坡地建筑将会越来越多,设计过程中遇到的独特问题也将越来越多。设计人员应充分认识坡地建筑结构的特殊性,从工程实际出发,结合现有规范规程,提出切实可行的结构设计方案。

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