建筑结构分区

【解构】山地建筑结构设计实例精解——重庆武隆天尺坪景区

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本文作者:李淑珍  国家一级注册结构工程师 来源微信公众号:旅建网 图片来源网络 如有侵权,请联系删除 随着经济的发展引起了巨大的土地资源问题,平地的资源开发越来越多,所剩的平面资源不能满足人类生存和发展问题。因而向山地资源发展是人们不得不面对的问题。 加强山地开发、合理进行山地建设已经成为当下主要控制目标。而进行山地建筑结构设计将是拓展使用空间、节约土地资源的有效手段。

本文作者:李淑珍  国家一级注册结构工程师

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如有侵权,请联系删除


随着经济的发展引起了巨大的土地资源问题,平地的资源开发越来越多,所剩的平面资源不能满足人类生存和发展问题。因而向山地资源发展是人们不得不面对的问题。

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加强山地开发、合理进行山地建设已经成为当下主要控制目标。而进行山地建筑结构设计将是拓展使用空间、节约土地资源的有效手段。

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山地建筑结构泛指底部竖向构件约束部位不在同一水平面上且不能简化为同一水平面的结构形式。


按接地类型可分为吊脚结构、掉层结构等形式。按结构体系可分为山地框架结构、山地剪力墙结构、山地框架-剪力墙结构、山地筒体结构、山地砌体结构等。

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建筑的结构设计直接关系着最终建筑质量,尤其是对于山地建筑来说,其对结构设计的要求更高。由于山地具有其特殊性,在山地进行建筑设计施工需从多方面考虑。


为此旅建网以重庆武隆天尺坪望仙崖景区项目为例,分析了山地建筑结构设计要点,希望能对今后类似建筑工程结构设计带来一定的参考和帮助。


一、工程概况

本项目位于重庆市武隆区,是以重庆市武隆县白马山的茶树茶源文化、自然生态文化、民族民俗文化为核心;以改善当地基础设施为基础,以特色农业产业为支撑,以创建茶文化旅游目的地和度假休闲养生基地为目标,所建设的文化休闲旅游景区。


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项目总建筑面积为45200m2,规划建设有飞天小镇、白马仙街、野奢茶庄等建筑群。根据实地勘察显示,项目地块地形变化丰富,明显呈现出中间高四周低的山顶区域地形地貌特征,北侧为陡崖。纵观基地整体地形,高程最低点位于基地南部和西部,高程值小于950m,最高点位于基地中央,高程值大于1350m,地形最大高差超过400米。

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项目自然条件:

场区由红粘土土层覆盖,厚度0.80~16.10m,呈硬塑~可塑状,分布不均;下伏基岩为二叠系上统吴家坪组(P3w)灰岩,强风化基岩厚度0.90~2.40m,厚度变化较大,均匀性较较差;中等风化基岩厚度大且连续稳定,地层倾角7°,基岩面起伏较小。承载力较高,均匀性较好。

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根据重庆市高新工程勘察设计院有限公司提供的《重庆市武隆县武隆白马山天尺坪规划片区地质灾害危险性评估》,区域地质环境复杂程度定为复杂,评估级别为一级。区域内存在采空区诱发的岩溶塌陷、危岩、岩溶漏斗等不良地质现象,规划区均属岩溶区,总的来说区内不良地质现象发育。建筑群尽量避开地灾区及采空区的区域。

该场地抗震设防烈度为六度,基本地震加速度值0.05g,设计地震分组为第一组,场地类别为二类,特征周期为0.35s。建筑抗震设防类别标准设防类。 场地基本风压为0.4KN/m2? (50年重现期),场地地面粗糙度为B类。


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二、设计要点分析

结构选型:

山地建筑是山地景观的一部分,一方面强化了山地自然景观,另一方面形成了人们在山地驻足,本身成为了最佳的观景点。


鉴于项目所在区域为山区建筑,本着结构形式既要从地质、建筑结构等方面确定,更要注意对区域内自然生态的保护来确定。尽量减少和缓解山体地表的运动势能,尽量保护山体地表的附着力。影响山体附着力的因素除了降水、寒暑变化外,就是人工对山体的不当开发破坏。


为了减少人工开发对自然环境的破坏,保持山体的稳定,根据岩层埋置的深浅,基础采用人工挖孔桩和嵌岩墩基础。一层采用架空形式,以保留原地形尽量少的不被破坏。

根据地质勘查报告显示,场区地表由厚度16米左右的红粘土土层覆盖,呈硬塑~可塑状,并且分布不均匀;下层为强风化灰岩层,岩层厚度0.90~2.40m,厚度变化大,不均匀;往下为厚度大且连续稳定的中等风化基岩层,地层倾角7°,基岩面起伏较小, 建筑层数不高,功能简单,荷载不大。结构形式采用钢筋混凝土框架结构和钢筋混凝土异形柱框架结构,基础采用人工挖孔桩基础及人工挖孔嵌岩墩基础,相邻桩基础之间及与墩基础之间的埋置深度满足岩石的刚性角要求。


环境挡墙宜与建筑的基础分开设置。当结构主体兼做支挡结构时,应考虑基础与上部结构的变形协调,在斜面或坡顶上建造的高层和重要的建筑物宜采用桩基础、适当降低坡高、减缓坡角等措施。


基础设计:

根据《建筑地基基础设计规范》要求,置于完整、较完整、较破碎岩体上的建筑物可仅进行地基承载力计算;当基岩面起伏较大,且都使用岩石地基时,同一建筑物可以使用多种基础形式。地勘显示场地持力层为基岩层,属于中风化灰岩,埋置深度有深有浅,根据地勘要求及对场地的分析,基岩埋置较深的采用人工挖孔桩,桩应满足入岩深度不小于一倍桩径;基岩埋置较浅或者裸露的基岩层,采用嵌岩墩基础。成孔简单,施工质量高,造价相对较低。


人工挖孔桩一定注意做好安全措施:做好桩护壁;桩护壁混凝土采用和桩砼等强度的混凝土强度等级,钢筋采用HRB400钢筋,相邻两节护壁之间采用钢筋相连;第一节深约一米,浇注混凝土护筒,往下施工时以每节作为一个施工循环(即挖好每节后浇注混凝土护壁)。施工应该保证相邻基础间的刚性角满足规范要求的45度,以避免发生山体滑移。


结构计算:

结构计算采用中国建筑科学院PKPM2010年V3.2版进行计算分析,对于柱底标高不一致,确定一层层高问题,需要慎重确定,一定保证柱子长细比,不能出现结构柱变形过大的情况。需要采用不等高基础建模计算。


(1)方法一:

1、将错层柱设在建模第二层,定义与基础相连的最大楼层号为2,按有一层地下室生成SATWE几何数据;

2、进入查看几何数据文件STRU.SAT窗口,修改2层与基础相连的节点标高,将层高改为高差;

3、再次数据检查(仅在执行“数据检查”前打钩);


(2)方法二:

PMCAD建筑建模输入在错层柱底标高处增加一个标准层,分两层输入地下室,将错层柱设计在建模二层,定义与基础相连的最大楼层号为2,定义第一标准层的层高为2700,第二标准层的层高1200,定义第一标准层的板厚为0,按有一层地下室,直接生成几何数据。


但如果按方法一建模,然后进入SATWE修改构件长度系数窗口,将PM2错层柱x,y方向的计算长度放大等方法建模,此时改后对结构整体刚度无影响,仅是被调整的柱配筋加大,计算结果失真。对于这种结构,刚心会向短柱方向移动,通常会产生平面偏心,地震作用下会加大扭转效应,经过建模分析,我们可以看出,对于柱底不等高嵌固的结构,宜采取措施将错层柱嵌固点与地下室顶板取平,此时地震作用下扭转效应小,对抗震有力。同时若采用将错层柱建在第一标准层,然后进入几何数据文件中,将错层柱础的节点标高有0改为2.7,计算出来的结果也失真!可采用二者计算结果的配筋包络进行构件配筋,以达到建模与实际情况相符,更准确表达结构的实际情形。


坡屋顶采用上节点高确定屋脊高度,以满足计算模型与实际情况的切合度。


关键部位特殊对待

山地建筑结构的框架柱在各接地部位均为抗震性能控制的关键部位,为保障其抗震性能,对上述部位三级抗震时箍筋最大间距进行了适当加密,并对各接地层柱均要求全长加密。

将山地建筑结构关键部位原三、四级通长纵筋不少于2根直径12的设计规定提高到和一、二级一样,即不少于2根直径14;梁腰筋按转换梁要求,增加了间距和最小直径要求。适当加强楼盖结构的板厚和配筋构造要求,有利于将水平力传入地基,并能够提高结构的整体抗扭能力。


多层山地建筑结构考虑房屋高度确定时已偏严控制,所以多层山地建筑结构的抗震等级确定同普通钢筋混凝土房屋;对于高层山地建筑结构通过对接地部位楼层提高一级抗震等级,以适当提高薄弱部位的抗震性能。特一级时,可采取两个不同力学模型的软件进行对比分析,并采取对关键构件进行性能化设计等措施,以保证结构性能。


总结

(1)山地建筑均依山而建,建筑师根据地势进行楼层和功能布置,势必造成依山半地下室,即4面中至少有1面没有被岩土遮挡(这里称有岩土遮挡的一面为迎坡面)


(2)山地建筑进行结构设计首先要避开地灾区,选址很重要;对于柱底标高相差较大的情况,需要进行层高调整,增加地梁,包络计算配筋,以免计算失真情况出现,精确分析计算结果的准确性;基础形式的选择,既要满足承载力要求,还要满足变形及抗滑的要求,不同于平地建筑结构的设计,尽量采用对原地形破坏小的基础形式,不增加山地地形的势能。


(3)山地建筑基础设计前应对场地稳定性进行评估,对不稳定的场地应采取措施保证坡体以上岩体和建筑物的稳定;虽然场地无滑坡和泥石流危险,由于基坑开挖对岩层的连续性和整体性可能被破坏,仍有整体失稳的可能,仍应采取必要的措施,加强上部建筑和岩体的整体性和稳定性。


(4)山地建筑由于建筑功能原因确实不能分缝设计时,除出现高低脚的多个嵌固层,应从概念上把握结构的整体安全性,并应对程序的计算结果进行必要的校核。


(5)按普通地下室设计依山地下室会导致结构刚心和质心严重偏离,造成结构扭转严重,同时会使地震力直接传递房屋中部,应采取“营造平地环境”的做法,使结构与坡地岩体分离。


(6)复杂坡地建筑结构采用多个程序进行计算,对于验证计算程序和模型的准确性和可靠性是必要的。


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