坡地建筑结构建模分析与基础设计

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摘要：坡地建筑通常存在场地高差大地质情况复杂等问题，对于带有地下室的建筑结构设计，结构建模中对地下室参数定义及地下室底板及基础的结构设计存在一些问题值得探讨。文章结合某实际工程案例，对坡地建筑的结构建模与基础设计的重点难点进行探讨分析，并给出施工方法的一些建议。

关键词：坡地建筑；地下室；结构建模；基础设计

坡地建筑不仅可以满足正常使用性能，还可以因地制宜，充分利用土地资源，符合绿色环保和可持续发展的目标。近年来，在国内许多城市都进行坡地建筑的开发利用，坡地建筑以其特有的错落有致的变化，使建筑具有与环境融为一体的优势。然而，在高差较大、地形复杂的坡地建造的建筑物，基础持力层不在同一标高上，且标高相差较大。坡地建筑由于基础持力层高差大，特别是带地下室的建筑，常会出现结构模型与实际工况不一致的问题，因此，这就要结构设计人员根据坡地建筑结构的特点，利用设计软件进行合理的建模分析。本文通过对位于坡地上的某公共建筑进行研究，给出了合理的建模措施和设计方案。

1带地下室坡地建筑结构设计存在的问题

1.1上部结构建模问题

坡地建筑通常在建筑的一个或两个方向存在较大的场地高差，对于带地下室的坡地建筑，其地下室通常存在一侧有覆土，一侧对外敞开的半地下室情况。半地下室只在一侧或者两侧有覆土约束，与传统地下室情况不同，对于结构建模中地下外墙的定义及地下室层数的定义存在一定的争议性。而在模型计算中，这点直接影响到结构的扭转不规则问题。结构建模中应结合具体的场地情况和建筑条件，合理地定义地下室外墙刚度和地下室层数，合理考虑部分覆土对半地下室的有效约束作用，避免模型计算中出现严重的扭转不规则。同时应有概念设计的意识，合理分析软件计算结果，从概念的角度，加强非覆土部位的结构刚度，减小刚度不均匀，减轻结构扭转效应。

1.2地下室底板的建模问题

带地下室坡地建筑，其持力层标高变化较大，地下室底板通常存在部分区域位于基础持力层，部分区域距离基础持力层较远的情况。因此会存在部分区域底板为筏板（或独基+防水板）、部分区域底板为梁板结构的掉层问题。现有的结构设计软件无法实现部分为基础，部分为上部结构的建模计算，因此不能按传统的上部结构与基础独立建模的设计方法。通常对于底板为基础的区域可在基础模块中建模计算，而掉层部位应在上部结构建模中单独按梁板结构建模计算其梁板配筋。掉层部位的基础可与底板为基础区域一同建模计算其承载力，但应考虑其上部底板的梁板荷载及回填土荷载的不利影响。

1.3坡地建筑的基础设计问题

根据建筑地基基础设计规范，要求坡地建筑基础设计应满足以下几点：满足上部建筑的承载能力、满足上部建筑的沉降变形要求、满足建筑整体稳定性要求。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，上部结构传至基础的荷载较大，采用人工挖孔桩基础成孔简单成桩质量好造价低，提供足够的承载力和良好的经济性。为了防止不均匀沉降，建筑抗震设计规范规定同一结构单元基础不宜设置在性质截然不同的地基上。而坡地建筑的持力层高差起伏较大，设计时应根据地勘报告，准确地还原整个场地持力层的标高状况，合理准确地确定基础底标高。对于基础埋深不同产生的长短柱，应针对性地加强柱子的截面与配筋，避免柱子的剪切破坏。

2某坡地建筑实际工程项目的建模设计探讨

2.1工程概况

本工程为合肥肥西县上派镇公祭堂项目，位于坡地上，为骨灰存放与祭祀用房，结构类型为框架结构，基础类型为独立基础加防水板。总建筑面积6800m2，地下1层，地上3层，建筑的总体高度12.3m。结构的设计使用年限50年，工程结构安全等级二级。基本风压：W0=0.35kN/m2（重现期50年），地面粗糙度为B类，基本雪压：S1=0.60KN/㎡（重现期50年）。本地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，拟建场地类别为Ⅰ1类，多遇地震作用下水平地震影响系数最大值ɑmax=0.080。抗震设防类别为标准设防类，抗震等级为三级。下面对该工程中的上部结构设计和基础部分设计进行论述。本工程使用北京构力科技有限公司编制的结构分析程序PKPM（2021V1.2版）进行结构分析。地震作用和风荷载按两个主轴方向进行计算。地震作用计算采用振型分解反应谱法，计入双向地震作用下的扭转影响。

2.2上部结构建模设计的问题

该建筑场地西高东低，东西高差约5m，地下室西侧和南侧为地下室外墙，北侧和东侧为地外敞开。结构模型如图1所示。假定结构嵌固端位于基础处，分别以1层地下室和0层地下室、挡土墙按剪力墙和深梁建模计算，对比地震力作用下各方向的水平力作用下的楼层层间最大位移与层高之比(Δu/h)和扭转位移比，结果指标如表1。由表1计算结果可知，剪力墙和深梁的建模中，地下室层数对层间位移角(Δu/h)没有影响，按深梁建模比按剪力墙建模的层间位移角(Δu/h)稍有增加，变化幅度在2.6%，基本可以忽略不计。挡土墙按剪力墙建模时，地下室层数的定义对结果影响较大，当按剪力墙+零层地下室建模时，扭转位移比大于1.5，属于扭转严重不规则。按剪力墙建模时，刚度偏心较大，若不考虑地下室回填土约束的有利作用，指标比较难以满足规范要求。按深梁建模时，地下室层数为1层和0层时，结果相差不大，且均不属于严重不规则。因深梁的刚度较剪力墙较小，结构本身的刚度偏心较小，地下室回填土约束作用对结构扭转影响较小。但坡地建筑西侧和南侧有覆土，北侧和东侧无覆土，模型无法模拟这种回填土的约束作用。故上部结构建模时宜按0层地下室建模。由上述对比可知，考虑到本工程基础形式为独立基础加防水板，地下室外墙底部与防水板的连接刚度不可等效为绝对嵌固，剪力墙更加接近于两端固接于框架柱的深梁，故上部结构可采用深梁+0层地下室模型建模计算，土压力可以转换为线荷载作用在柱上。同时可按剪力墙+0层地下室复核结构因扭转效应引起的薄弱部位，对薄弱部位的梁柱进行加强处理。

2.3地下室基础建模设计的问题

根据地质勘察报告，拟建场地主要持力层分布稳定，无液化土层分布，场地内分布有均匀的中硬土，综合判别拟建场地属抗震一般地段。根据本次外业钻探、原位测试，拟建场地岩土构成层序自上而下可分为①层填土、②层黏土、③1层强风化砂岩、③2层中风化砂岩。各土层厚度均匀，但天然地面标高落差大，自西向东绝对标高标高由60m变化至50m。典型地质剖面图如图2所示。建筑±0.000相当于绝对标高均为59.350m，地下室层高3.9m。由于②层黏土局部缺失，层厚0.30～1.00m，故以厚度较好的③1层强风化砂岩为持力层，以减小因持力层不同而造成的地基不均匀沉降，承载力特征值为300kPa。建筑的西侧一半部分的地下室底板直接落在持力层上，而中轴线开始自西向东，持力层标高逐渐降低，基础埋深逐渐加深，形成台阶式基础。基础模型如图3所示。由于场地内天然地面起伏较大，需要进行大面积、高厚度的回填土，基础设计中应考虑不利影响，基础计算考虑回填土的覆土重，将回填土自重按附加恒荷载输入到基础上。独立基础变标高时，应根据土质类别的不同，满足一定的放坡比例，按照放坡比例和基础净距，合理确定各基础埋置深度。对于带地下室的坡地建筑的抗浮问题，由于地下室一半埋置于地下，一半上台出天然地面，故设计时很难明确地下室的抗浮水位，且这种地形处一半不会形成地下积水，故可不进行抗浮设计。

2.4地下室底板建模设计的问题

本工程地下室底板采用独立基础加防水板，但这种做法在基础标高变化时会带来一些问题。在建筑的西侧部分，基础直接落在持力层，防水板可与基础做到顶标高一平，属于常规的地下室做法。但在东侧基础标高落差处，防水板与基础的最大高差将近5m，形成掉层结构。此时应在地下室底板标高处和框架柱之间做一层梁板结构，以梁板结构形式承担地下室荷载。同时可以加强不同标高处基础之间的联系，增强结构的整体性，避免建筑物的不均匀沉降和局部滑移。若此部分梁板结构在基础模型中用基础拉梁加防水板建模，则配筋计算结果会出现异常，因现有的基础建模软件无法进行这种上部结构加基础的联合建模，在基础模块中建立上部模型会照成计算结果失真。故基础变标高区域的地下室底板配筋计算，应在上部结构中单独建模计算。在进行地基承载力计算时，可在基础模型中按防水板建模以倒算荷载，但应注意此时上部模型中不再建此区域梁板结构，以免重复计算荷载。

2.5带地下室坡地建筑施工的注意事项

带地下室坡地建筑的施工方法不同于传统的地下室结构的施工流程，施工时应因地制宜，根据具体的天然场地条件和结构形式，合理地确定施工工艺流程。就本工程为例，由于天然场地东西高差较大，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。而独立基础更是位于两个结构层面上，故无法按照传统的先施工独立基础后施工上部结构的流程。应先施工埋深较地下室底板深的独立基础，然后回填土至底板标高，最后再施工地下室底板和外墙。但应注意在回填独立基础上的覆土时，应均匀回填，避免单侧回填造成基础或柱子的倾斜，影响后续上部结构的施工及结构安全。

3结论

本文结合实际工程案例，通过不同建模方式的对比，对带地下室的坡地建筑的结构建模和基础设计给出了合理建议，并对施工方法施工进行了分析。得出了如下几条结论：①上部结构可采用深梁+0层地下室模型建模计算。同时可按剪力墙+0层地下室复核结构因扭转效应引起的薄弱部位，对薄弱部位的梁柱进行加强处理。②场地内需要进行大面积、高厚度的回填土时，基础设计中应考虑回填土的不利影响。③掉层结构处应在地下室底板标高处在框架柱之间做一层梁板结构，以梁板结构形式承担地下室荷载。④施工时应因地制宜，根据具体的天然场地标高状态和建筑结构形式，合理地确定施工流程。

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作者：袁猛 单位：安徽省建筑科学研究设计院