某掉層結構設計分析范文

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摘要:隨著城市用地日益緊張，為了節(jié)約城市用地，實際工程中經常遇到掉層結構，本文通過具體工程實例，對掉層結構的抗震概念設計分析、柱底不等高嵌固端設置、水平地震影響系數(shù)的調整、擋土墻設計等問題進行分析探討。

關鍵詞:掉層結構;抗震概念設計;水平地震影響系數(shù);擋土墻

由于古田縣屬于山區(qū)縣城，山地面積多于平地面積，隨著城市用地日益緊張，為了節(jié)約城市用地，利用自然地貌和坡地地形相適應的坡地建筑越來越多，實際工程中經常遇到有掉層結構的建筑。所謂掉層結構是指建筑利用坡地高差處的空間，部份結構位于陡坎上部，部份位于陡坎下部，并且最高接地點以下按層高設置樓面的接地結構。本文通過具體工程實例，對掉層結構的抗震設計概念分析、柱底不等高嵌固端設置、水平地震影響系數(shù)的調整、擋土墻設計等問題進行分析探討。

1工程概況

本程為三層框架結構，建筑面積為2296平方米，建筑高度為12．00m，位于福建省古田縣，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類。基礎采用鋼筋混凝土條型基礎，以粘性土層為持力層，建筑單體立面圖。

2從抗震概念設計分析出發(fā)，加強掉層結構抗震構造措施

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB2011－2010)第3.4.3條及表3.4.3－2規(guī)定:“該層的側向剛度小于相鄰上一層的70%，或小于其上相鄰三個樓層側向剛度平均值的80%”，掉層結構剛度沿豎向突變，豎向構件不連續(xù)，明顯屬于豎向不規(guī)則建筑類型，而且由于首層柱底標高與基礎相連不在同一標高，即底部嵌固端標高不同，產生平面剛心向短柱方向偏移，上下層剛心偏心過大，在地震作用下，扭摶效應明顯加大，極易形成薄弱層。根據(jù)汶川地震及其它震害圖片分析，掉層結構局部破壞嚴重，從震害特征分析來看，局部構件的破壞不僅發(fā)生在下掉層部位，還發(fā)生在上接地層接地的框架柱處，“研究發(fā)現(xiàn)，破壞的直接原因是強度和剛度不匹配，這時若再無保證框架柱延性的有效措施，破壞會更加嚴重。所以本工程采取加大下掉層結構抗側移剛度，加大柱斷面尺寸，加大掉層柱剛度，并在邊坡陡坎擋土墻部位設置200*500的柱肋板與柱相連，在與擋土墻垂直相連的掉層結構兩側邊，增設兩道剪力墻來減小陡坎邊坡處土壓力對主體結構的不利影響;同時也加大上接地層接地部位柱斷面尺寸，加大接地部位柱剛度，并且上接地層柱與非接地柱之間設置拉梁，以增強主體結構的整體性;適當加大下掉層與上接地層接地部位柱鋼筋，柱箍筋均全長加密。由此同時還嚴格控制樓層周期比、位移比、剛度比等指標，使其滿足規(guī)范要求。

3柱底不等高嵌固端如何建模設置

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB2011－2010)第3.5.2條規(guī)定:“結構體系應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑”［1］，所以掉層結構的柱底嵌固端正確設置是計算模型真實合理的關鍵所在。(1)本工程建模時下掉層柱設為一層柱，上接地面柱設為二層，在PMCAD設計參數(shù)總信息中，修改與基礎相連構件的最大底標高，即下層結構層高減去此柱至條形基礎頂面高度(3.6－0.6=3.0)，本工程修改為3.0;(2)在接PM生成SATWE數(shù)據(jù)菜單中修改構件計算長度系數(shù)，修改上接地面柱構件計算長度系數(shù)由原來1.25改為1.0，然后計算形成SATWE數(shù)據(jù)文件。很多設計人員會忽略這一點，應引起注意。

4水平地震影響系數(shù)的調整

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB2011－2010)［1］第4.1.8條及條文規(guī)定說明:“所謂局部突出地形主要是指山包、山梁和懸崖、陡坎等，情況比較復雜，對各種可能出現(xiàn)的情況的地震動參數(shù)的放大作用都作出具體的規(guī)定是很困難的”［1］。由此可見，規(guī)范并未明確規(guī)定掉層建筑結構或吊腳層結構地震影響系數(shù)是否需要放大，但根據(jù)汶川地震及其它震害表明，利用坡地地形高差設計的掉層結構或吊腳層結構震害比周邊平地建筑震害嚴重多，這就需要設計人員根據(jù)實際地形地貌具體分析。所以筆者分析認為應對掉層結構的水平地震影響系數(shù)調整放大，否則在地震作用下，計算反應跟實際結果相比偏小，從而導致整體結構在地震作用下偏于不安全或安全儲備不夠，而且本條文為強制性條文，設計人員必須高度重視并嚴格執(zhí)行。筆者認為掉層結構也可根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB2011－2010)［1］第4.1.8條文說明提供的公式:λ=1+ξα(λ為局部突出地形頂部的地震影響系數(shù)的放大系數(shù))來確定掉層結構的地震力放大作用。本工程根據(jù)地勘報告及高程地形圖分析計算:本工程5≤H＜15(H為突出地形高度)，L1/H=5/8=0.625，小于2.5(L1為與突出臺地邊緣距離)，ξ取1.0;H/L=8/35=0.23，小于0.3，查表2，α=0.1(α局部突出地形地震動參數(shù)的增大幅度)，所以λ=1+ξa=1+0.1*1=1.1，即本工程地震影響系數(shù)應乘以放大系數(shù)1.1。

5陡坎部位擋土墻設計應注意的問題

為減小邊坡?lián)跬翂χ黧w結構不利影響，盡量采用與主體結構脫離的形式設置掉層結構陡坎處擋土墻。本工程為了充分利用場地自然地貌，減少場地大挖大填對自然地貌的破壞，節(jié)約工程造價，實現(xiàn)綠色建筑理念，采取鋼筋混凝土擋土墻與主體結構相連設計，擋土墻與主體結構共同受力的結構體系。(1)擋土墻水平荷載計算:外墻水平荷載包括地面活荷載、側向靜止土壓力、地下水壓力;地面活荷載側壓力:Q1=p*ka(p為地面活荷載，ka為靜止土壓力系數(shù));土側壓力:Q2=ka*γ*h(γ為土的重度，h為擋土墻高度);地下水側壓力:Q3=γw*h2(γw為水的重度，h2為地下水位高度)。(2)主體結構水平側推力計算。由于現(xiàn)有PKPM軟件的不完善及局限性，無法輸入擋土墻模型建模，進行整體計算，只能當作剪力墻輸入模型，擋土墻的水平荷載不能傳導至主體結構，只能通過人工換算為柱間線荷載輸入主體結構進行整體計算，但此近似算法不能完全模擬真實受力狀態(tài)，所以設計人員必須重視抗震概念設計，加強抗震構造措施來彌補計算軟件的局限性。(3)鋼筋混凝土擋土墻受力配筋計算。本工程擋土墻厚度取300mm，利用理正軟件把鋼筋混凝土擋土墻作為三邊固端、頂部簡支的板構件進行受力計算配筋。

6結語

掉層結構是坡地建筑結構中常見的一種結構形式，充分利用場地自然地貌，減少場地土方開挖，與大自然更加和諧融合，這也是現(xiàn)在大力倡導的綠色建筑設計理念。但由于掉層建筑自身的特殊性，結構剛度沿豎向突變，豎向構件不連續(xù)，震害比平地建筑更嚴重，結構設計人員更應該重視抗震概念設計，結合實際地形地貌具體分析計算，嚴格控制設計的各項指標，加強抗震構造措施，使掉層結構抗震性能設計更加合理優(yōu)化。

參考文獻

［1］GB2011－2010建筑抗震設計規(guī)范［S］．

［2］龍彬．掉層結構設計中的若干問題研究［D］．重慶大學，2010.

作者：黃鶴熙 單位：古田縣建筑設計院