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坡地多层地下室结构设计研究

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摘要:

结合实际工程情况,从不平衡推力的抵抗、嵌固部位的选取等方面,分析了坡地上局部多层地下室结构设计中存在的问题,并通过对不同结构布置方案受力性能的研究,提出了一些合理的设计建议,为相似工程提供参考。

关键词:

地下室,不平衡推力,挡土墙,嵌固端,位移角

1概述

随着城市建设的大发展,建设用地作为一种资源越来越受到社会的关注,工程建设场地的选取也相应受到了较大的限制。工程建设应保护环境,不应以破坏环境为前提来确保项目的实施;以可持续发展观为先决条件,少占耕地、绿化用地等。因此,工程建设场地逐步由单一平整的场地向条件复杂的场地过渡,如坡地、洼地等。这类场地因其条件特殊、复杂多变,给结构设计提出了更高的要求。

2工程概况

本文所选的建筑是乌鲁木齐地区一栋框架结构的文化馆,地下2层,地上3层,地下室层高均为4.0m,地上层高分别为4.2m,3.9m,3.9m,场地类别为Ⅱ类,设防类别为8度,设计基本地震加速度值为0.2g,设计地震分组为第二组,场地特征周期0.40s。建设场地位于一坡地上,地势南高北低。建筑南入口(主入口)从±0进入建筑,北入口(次入口)从-1层进入建筑。平面及剖面示意图如图1,图2所示。

3工程分析

3.1方案比较分析因建筑场地位于一坡地上,结合图1,图2可知,建筑的地下-1层南侧有两层覆土,北侧有一层覆土,其余两侧覆土随自然地势变化。因覆土对结构具有侧向力作用,若建筑四周的覆土情况不一致,覆土将对建筑产生水平方向的不平衡推力。这一不平衡推力对建筑结构的作用方向是恒定不变的,这对结构整体特别是地下-1层来说具有很大的不利影响。结构设计方面,不仅仅是需要设置挡土墙[2]等构件来抵抗这一部分的不平衡推力,还需要对结构进行调整来满足整体结构的刚度偏心,结构扭转等各项指标。图3为本工程前期方案(方案一)-1层结构平面布置图,东西两侧因竖向挡土墙对称布置,对结构影响不大。但因南侧水平向挡土墙较长,刚度大,为防止本层结构刚度的严重偏心,在建筑专业允许的条件下,在北侧两跨框架内设置了剪力墙。通过分析计算,此结构布置方案不能较好的解决结构刚度偏心,结构扭转等问题。若当建筑整体各项指标都能较好满足规范要求时,结构构件尺寸较正常情况偏大较多,整体经济性较差,不利于建筑竖向及平面的布置,对建筑功能发挥有一定的影响,故最终未选取此方案进行施工图设计。上面这一方案采用硬“抗”的方式利用-1层结构的整体来抵抗因土压力而引起的不平衡推力。通过对本工程受力特性的思考和剖析,发现在结构设计中主要问题是,如何有效的消除或削弱不平衡推力对结构的影响。对此我们采用了一种新的设计方法来解决这一问题。覆土对结构的不平衡推力是不可消除的,但我们可通过结构的构造做法来改变不平衡推力的作用部位,以实现削弱其对结构整体的影响。通过对项目的分析研究,得出利用地下-2层结构来抵抗覆土的不平衡推力比较有利。原因如下:地下-2层四周均有覆土,并在外墙处均已设置了挡土墙,该层的结构刚度大,且四周又有覆土的侧向约束,能较好的抵抗由-1层传递来的不平衡推力。剖面示意图(二)见图4。由图5可知,本工程南侧的覆土通过设置悬臂挡土墙来抵抗,其中因悬臂挡土墙的缘故,挡土墙与-1层主体结构脱开,由覆土产生的水平向推力由悬臂挡土墙传递至-2层顶板,改变了传统方案侧向推力的传力路径,削弱了不平衡推力对结构的影响。由此我们可认为本工程为一栋地下1层、地上4层的普通建筑。此方案(方案二)-1层结构平面布置图如图6所示。

3.2计算分析1)嵌固部位的选取。正确选取嵌固端及计算模型与多高层框架结构的计算结果有密切的联系[3]。一般情况下,对于带地下室的建筑,通常选取地下室顶板作为嵌固部位。GB50011—2010建筑抗震设计规范[4]第6.1.14条给出了地下室顶板作为上部结构的嵌固部位应符合的要求,其中条文说明中指出“这里所指地下室应为完整地下室”。本工程由于-1层地下室为非全埋地下室,故上部结构的嵌固端不能选取在-1层顶板,嵌固端选取在-2层顶板较为合适。2)位移角和刚度。本文选用SATWE软件进行计算分析,根据计算结果得出方案一和方案二X,Y向最大层间位移角曲线(如图7,图8所示)以及各楼层的剪切刚度(如表1,表2所示)。由以上计算结果可知,方案一因在-1层设置了挡土墙,刚度较大,-2层的层间位移角很小,几乎可以忽略不计。若不考虑其他因素,仅从最大层间位移角曲线图上判断,我们可以认为,方案一的嵌固部位选在了-1层顶板处。对比方案一和方案二的计算结果,我们可以判断出方案一嵌固端上部结构在-1层顶板处发生了刚度突变。另外,方案一-1层双向均布置了剪力墙,此层结构接近框架—剪力墙结构,而上面3层为框架结构。相比于方案二嵌固端上部为纯框架结构体系的建筑,方案一在模型计算分析时整体结构体系的选定上存在一定问题,结构整体抗力体系不明确,无法准确的判断是框架结构或是框架—剪力墙结构。若实际情况中存在类似的工程,从安全角度出发,建议采用包络设计的方法来处理。结构体系分别选框架结构和框架—剪力墙结构进行计算,在满足要求的基础上,计算结果取大值。

4结论与建议

1)本文方案二-1层挡土墙与结构主体脱开的做法能够较好的解决局部地下室挡土墙布置偏心的问题,但此种做法存在一定的限制。当该层层高较大时,悬臂挡土墙较难满足设计要求,整体经济性较差。另外,对于雨水较多的地区,脱开部位的防水工作显得尤为重要。2)可结合不同工程的各自特点,选用不同的构造做法(如图5所示),来简化计算模型,便于后期的计算分析。3)由于坡地建筑易形成平面、竖向不规则,扭转效应明显,设计时应根据实际情况合理确定结构的嵌固部位。4)设计时,应根据坡地的实际情况及建筑的特点合理确定结构方案。最好做到在建筑方案创作阶段结构专业就能够参与其中,给出合理化建议。

参考文献:

[1]张朝云.带地下室高层建筑结构嵌固端的选择及相关问题研究[D].重庆:重庆大学,2008.

[2]郑冬菁.坡地建筑中挡土墙的设计[J].福建建设科技,2002(4):86-87.

[3]孙洋,巢斯.地下室侧向刚度对多高层框架结构的影响[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2015,33(1):124-125.

[4]GB50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

作者:武凡 单位:新疆兵团勘测设计院( 集团) 有限责任公司

坡地多层地下室结构设计研究责任编辑:杨雪    阅读:人次