构思结构《山地建筑结构设计标准》学习笔记（下）

“人就像种子，要做一粒好种子。”

 ——   袁隆平

△  中国白茶博 物馆宴会厅

大跨度钢空腹夹层板楼盖工程实景

?构思结构

结构设计：大白  王子鹏  肖辉

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本文用到的特定术语有：

上接地端、下接地端、上接地层、上接地端楼盖……

若未能理解这些术语，请点击下面链接，先阅读本文的上篇：

《山地建筑结构设计标准》学习笔记（上）

       07    结构定性相关

 

场地类别

山地建筑的地形变化大，同一场地在不同位置的场地条件差异明显，且 相关研究表明，不同场地条件带来的局部场地效应对山地建筑结构的地震效应影响很大。

因此，标准提出了场地类别的具体划分方式：

如下图所示， 标准按局部场地条件来综合判定场地类别，并偏于安全地取：

最不利场地类别作为设计依据。

△  覆盖层厚度取值示意

1一 下接地端 ；2一 上接地端 ；3一 岩土 ；

4一 地下室 ； 5一 覆盖层厚度 ；

结构高度与宽度

结构高度直接影响多高层定性、最大适用高度判别以及抗震等级确定等，是结构定性的重要指标之一。

山地建筑的结构高度与宽度按以下方式确定：

研究表明，当山地建筑结构的大多数竖向抗侧力构件嵌固在上接地端时，其受力特性主要由上接地端以上部分结构决定。

因而标准规定，对于此类结构：

结构高度宜由上接地端起算；宽度宜取上接地端以上部分的房屋宽度。

可见，判断 大多数 竖向抗侧力构件 是否 嵌固于上接地端，将直接影响 结构高度的取值 。

条文说明中给出了具体计算方法，如下图示意，图中1代表接地构件。

△  抗侧刚度比计算示意

当边坡稳定且变形可控时，假定上接地层的非接地构件完全嵌固，只要：

接地构件剪力之和/层剪力之和≥80%，

可认为 大多数竖向抗侧力构件嵌固于上接地端。

虽然判别公式较为明确，但实施起来仍显复杂，需要额外增加计算模型，并手工复核，工作量较大。

若剪力比无法满足上式要求，则保守地取下接地端或较低接地端为结构高度起算位置。

最大适用高度

确定了结构高度，就可以和各类钢筋混凝土结构的最大适用高度进行对比。

标准给出了具体高度，如下表所示：

不难发现，山地建筑结构的最大适用高度较常规结构有所降低。

附注中提出了几点要求，需要引起重视：

1、按3.2.2条确定结构高度后，方可与本表的结构最大适用高度进行对比；

2、7度和8度地区 坐落于土质边坡上的房屋 ，其最大适用高度宜适当降低；

3、甲类建筑宜按 本地区设防烈度 提高一度后 确定最大适用高度。

条文说明中还特别提醒：

当高层建筑建于山地平整场地， 不具有山地建筑结构不等高约束特点时 ，其最大适用高度不执行本条规定。

也就算说，就算是山地建筑，但场地是平整过的，结构无不等高约束情况下，其最大适用高度：

与常规建筑相同。

抗震等级

山地建筑结构的抗震等级按以下方式确定：

对于薄弱部位，如高层建筑的接地部位楼层（吊脚结构首层及以下部位，高层掉层结构各接地端的上下层），其抗震等级必须提高一级外，其余结构或部位的抗震等级：

与常规钢筋混凝土结构相同。

必须注意到，标准在第7章新增加一个术语：

吊脚结构首层。

而该术语容易被吊脚结构首层楼盖带偏，误解为首层楼盖的下部楼层。

结合上下文，大白认为应将该术语改为：

吊脚结构的上接地层。

这样方能避免歧义。

除此之外，当山地建筑结构采用框架—剪力墙或板柱—剪力墙结构时，其抗震等级确定方式也与常规结构有所不同：

大家在设计时需要特别注意。

结构体系判别

为简化设计，标准仅要求按下图红线位置验算倾覆力矩比例，以确定结构的类型与抗震等级。

△  框架承担倾覆力矩验算部位示意

考虑到 采用短肢剪力墙 的山地建筑结构，其抗震性能还需进一步研究，故标准对其做出了部分限制：  

关于剪力墙底部加强区范围的规定也更加细化，并在条文说明中补充了示意图，方便大家理解应用。  

△  剪力墙底部加强区示意图

1一 底部加强区 ；2一 两层或1/10H中较大者 ；

       08    结构规则性

 

 

由于山地建筑结构的不等高接地约束使得结构平面与竖向均不规则，故标准对于规则性的判定思路是：

山地建筑结构本身作为一项不规则类型。

特别注意一点，对于同时具有掉层与吊脚情况的结构，可不重复计入不规则项，简单来说：

仅计为一项不规则。

竖向规则性

通过对掉层部分和吊脚部分相对上接地层的抗侧刚度和受剪承载力进行规定，以避免结构形成：

抗震薄弱部位。

为便于计算，侧向刚度比直接采用：

等效剪切刚度比。

具体计算方法可详《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010的附录E.0.1条。

不难发现，若要准确计算抗侧刚度比与层间受剪承载力比，就必须正确理解一个关键术语：

上层相应部位。

但是，现有标准中并未对“上层相应部位”进行明确界定。

大白查阅了大量参考文献，终于在 中国建筑西南设计研究院有限公司编著的 《 结构设计统一技术措施》（2020版）中找到了依据：

（a）吊脚结构抗侧刚度比要求

（b）掉层结构抗侧刚度比要求

△   抗侧刚度要求示意图[2]

上图清晰说明，虚框范围内的 上接地层 构件，即为掉层或吊脚部分的上层相应部位。

通过计算虚线范围的上下层刚度比，就可以判断出结构的竖向规则性，但这同样需要软件支持才能较方便的实现。

扭转规则性

山地建筑结构由于不等高嵌固，上接地竖向构件的层间位移明显大于其余部位，导致层间位移比难以控制，但楼层的实际层间扭转角可能并不大。

因此，标准放弃控制上接地层的层间位移比，转而采用水平位移比来判断结构的扭转程度。

关于扭转规则性判别，我们还须掌握两个知识点：

1、山地建筑结构不控制周期比；

2、若第2振型为扭转振型时，应采取措施增强结构的抗扭能力。

       09    荷载与作用

 

  风荷载

从典型山地建筑与风荷载关系示意图中不难发现， 迎风面和背风面所受到的风荷载值并不相同。

标准规定不应通过简单叠加风荷载体形系数来简化计算，而是应该：

各受荷面的风荷载分别计算。

△  顺坡向 风荷载计算示意

1一 顺坡风向 ；2一 山坡起点 ；

3 一 侧面、迎风面风载体形系数和风压高度变化系数起算点；

4 一 背风面风载体形系数和风压高度变化系数起算点；

5 一 迎风面风载体形系数和风压高度变化系数起算点.

山地本身地形条件对建筑物的影响，则通过：

风压高度变化系数进行修正。

地形条件修正系数计算详《建筑结构荷载规范》GB50009-2012第8.2.2条。

从上图可以看出，各风荷载系数取值与起算位置有直接关系，条文说明中通过附图与文字说明进行了详细界定，已能满足实际设计需要。

由于风荷载的工况数量多 ，且各系数、迎风面积不同导致荷载值也不相同，如果设计软件能支持自动计算，应该能减小不少的设计工作量。

  地震作用

4.2.2条中，局部地形条件对地震作用进行放大的要求，与《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第4.1.8条（强制性条文）的要求是相同的。

两者的区别在于，《抗规》只考虑了局部突出地形影响，所提供的地震作用增大系数仅适用于：

建筑在台地顶平台段之上的情况。

显而易见，当建筑坐落于坡地斜坡段时，增大系数就无法参考使用。

△ 《抗规》 局部突出地形示意图

《山地标准》补充了这部分内容， 研究过程中利用岩石边坡斜坡段上的结构算例，研究了 岩质坡地斜坡段设计水平地震动放大系数λ 的取值问题。

△ 《山地标准》 坡地示意图

1一平台段；2一 斜坡段 ；3 一建筑。

为方便工程使用，规定 λ 值可简单地在《抗规》求得的 平台段水平地震作用增大系数和坡底放大系数1.0间，利用h与H比值线性插值求得。

岩土压力

标准规定，对于边坡上的支挡结构，设计中应同时考虑：

岩土压力和水压力作用。

明确了砂性土的土压力应按水土分算、黏性土可按水土合算。

地震作用下主动土压力计算方法，可参考3.1.10条的条文说明。

考虑到上部荷载作用于土质边坡或破碎和极破碎岩质边坡时，基础荷载容易扩散到支挡结构上，故支挡结构设计时还应计入：

基础荷载的影响。

岩质边坡支挡结构设计时，常常容易忽略：

桩基础—岩石—边坡支挡结构之间的 荷载 相互作用问题 。

文献[3]对桩土共同受力情况进行了有限元分析，发现水平荷载作用下，基础、岩石、支挡侧壁能一起协同受力并变形。

△ 模型三维示意图 [3]

△ 桩水平位移云图/mm[3]

标准则认为， 对于完整程度较好的岩质边坡， 竖向荷载下 桩基础—岩石—边坡支挡结构 的相互作用同样存在，应考虑其影响。

若按4.3.4条进行隔离或空位构造处理后，可不考虑上述影响。

同时，嵌固端以上桩身应按框架柱进行设计，且抗震等级不应低于：

相邻上部抗侧力构件。

       10    计算分析

 

  分析模型

山地建筑结构的计算模型，应能准确反映结构的受力性能。

为此，标准做出如下规定：

因为结构质量与刚度分布不均匀，故分析模型还应同时计入：

双向水平地震作用。

5.2.2条中，提供了与真实受力情况相符的分析模型示意图，如下图所示：

△ 结构计算模型示意

1一拉 梁等连接构件单元；2一连接弹簧单元。

连接弹簧单元刚度在不同运动趋势下的取值并不相同，条文说明中给出了具体取值建议。

  抗震计算

山地建筑结构的抗震计算要求比常规结构更加严格：

  关键部位分析与设计

对于关键部位，如上接地层楼盖、接地楼盖以及节点等，提出了具体的构件分析与设计要求：

抗倾覆验算

山地高层建筑必须具备足够的抗倾覆能力，故标准要求应进行：

罕遇地震下的抗倾覆验算。

山地高层建筑结构在不同方向的水平地震作用下，其倾覆点、倾覆弯矩与抗倾覆能力是不同的。

△ 掉层结构倾覆荷载示意（顺坡向）

以上图为例，正向荷载下的倾覆点为A点，负向荷载下则为B点。

而第i层的水平地震作用Pi，取的是罕遇地震下的楼层弹性水平地震作用。

△ 掉层结构抗倾覆力矩示意（顺坡向）

对于抗倾覆弯矩，则是由上部结构与掉层部分结构的重力荷载代表值提供，如上图所示。

当抗倾覆验算不能满足要求时，可以设置：

抗拔桩或抗拔锚杆。

以满足结构的抗倾覆能力。

剪重比验算

剪重比验算采用双控原则，验算以下两个部位：

各个楼层以及所有接地部位。

标准认为，上接地端的存在，使得部分重力荷载效应已就近传入基础。

故剪重比验算时，掉层部分仅计入掉层竖向对应部位的重力荷载代表值，如下图示意：

△ 重力荷载代表值的选取范围示意

1一需考虑重力荷载代表值的范围 ；

2一不考虑重力荷载代表值范围。

关键构件内力调整

由于边坡及支挡结构本身存在一定变形，故山地建筑结构的地基和基础刚度是有限的，计算模型中柱底完全嵌固的假定将导致：

掉层或吊脚部位的抗侧力构件内力偏小。

从安全角度出发，规定这些构件的地震剪力应调整并放大。

标准中非接地构件可按下端假定为固端的模型进行补充分析，如下图示意：

△ 调整非接地构件内力的假定计算模型

1一上部结构 ； 2一上接地层；

3一非接地构件 ；4 一上接地端。

大白认为，上述验算和模型内力调整仅依靠现有软件功能是难以实现的。

       11    构造要求

 

  剪力墙构造

与剪力墙有关的构造条文如下：

结构外侧设置一字形剪力墙时，由于扭转效应明显，结构弹塑性性能削弱较多，因此要求设置端柱或翼墙。

筒体一般应贯通建筑全高。但当大多数竖向抗侧力构件嵌固于上接地端时，主要筒体可以只嵌固于上接地端。

标准中对关键部位的剪力墙厚度提出了具体要求。

  楼盖构造

对关键部位的楼盖体系、厚度、配筋提出了要求，具体如下：

  框架柱构造

对关键部位的框架柱箍筋间距、直径做出规定，以提高其抗震性能：

框架梁构造

相较于《建筑抗震设计规范》，提高了关键部位的框架梁构造要求：

       12    大白点评

 

《山地建筑结构设计标准》并未盲从于其他规范，而是结合山地建筑结构的自身特性，通过较为系统的理论研究和实验研究，针对性地提出了设计方法和加强措施，为此类结构的设计提供了依据。

但是，以当前的软件功能，是难以达到标准中部分条文（如风荷载计算、剪重比验算、关键构件内力调整等）的规定。

就算通过人工指定或干预，广大结构工程师仍需要花费大量时间与精力，这对标准的有效执行还是有所阻碍。

期望软件商能尽快在新版本中加入山地建筑结构设计功能，让这本标准能够更加广泛地应用起来。

主要参考文献

[1] JGJ/T 472-2020，山地建筑结构设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2020.

[2] 中国建筑西南设计研究院有限公司编著．结构设计统一技术措施[M].北京中国建筑工业出版社，2020．

[3] 张小良,齐建林,马帧.某山地高层住宅基础设计与研究[J].建筑结构,2020,v.50.