土木吧丨山地建筑嵌固实用大全

发表于 讨论求助 2018-06-22 02:48:35

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作者:老羊

公众号:老羊解构杂货店


    近日亚勇大师来滇,本地结构同仁甚喜,有安排学术活动两场,文化活动两场,全程相伴者干草刘、表哥、大表哥及老黑、战书、师师;半程者卫强、卫宏、广宇,贺一斤;快闪者春明、博士、暴走昆、陆星星、梁师弟;惜泰生有恙未至。有小胡、小桂、小贺为大师鞍前马后,极为妥帖。

    学术之研究集中于山地建筑之嵌固,初时大师蹙眉:嵌固只为计算之末技,吾求道也,汝等何计较之? 众人纷纷陈情,正所谓有涯之生不易,无边之道难求,大师 默然,盖生恻隐,遂降阶与众人群殴,唇枪舌剑之混战,昏天黑地,飞沙走石,惑或不惑,不惑或惑;

    羊得一二,以记之。

山地建筑按理说首要紧的是场地地震稳定评价,但这不是结构工程师的活计,先当它稳定吧,否则就说不下去。


山地与建筑的关系,情况多变,从最简单的说起,一边有土,

老羊称之为:沾边


如果从空中俯视,


建筑的四边,只有一边“粘”上了土。


这种情况的处理方式宜:分离。

即采取工程措施,使得土体与建筑之间在结构体系上划清界限

          

不管建筑怎么想,结构上先来一刀。

这时结构单元就成为经典的大底盘多塔楼,需要满足规范对该结构类型的种种要求,实在困难的,就再切几下,划分为几个相对可以对付的结构单元,至于可能带来的建筑防水问题,后面会谈到。


只是这刀法,也有各种的变化。

常见以下几种模样:

工程上究竟选谁,一般考虑两个因素,一是建筑及景观的意见;比如用地的限制、交通处理的难易(图中虚线),或是台地斜坡的绿化效果;二是施工的结合;沾边型的建筑多出现在山地的挖方区,基础和下部楼层施工时边坡总是需要预先处理的,只要按永久性边坡进行支护即可。


经常遇到的情况是这样:

施工的时候也许放坡开挖就可以,安全方便造价低,但以后还是要进行回填,如图中的浅色区域。这样的直立支护如果按常规的悬臂考虑往往造价很高,此时也有两种处理方式,一是在稳定性较好的土质情况下,尤其是岩质,那么后做的支护结构只计算回填区的有限土体侧压力;

第二种就是利用建筑作为挡土结构的支撑点,这尤其适用于建筑设计要求主体与土体之间没有间隙的情况。挡土结构受力可以得到大大改善,不过由于土压力会传递到主体结构上,首先要通过工程构造实现刚度分离,避免挡土结构的刚度影响主体,从而带来诸多麻烦。


可以减少两侧结构的接触点,并同时在两者之间设置刚度隔离层,如油毡或沥青 麻丝,或者石棉板等等,工程中也有砌砖或者填砂的,更利于力的传递。

理想的状况是”力传递,构分离“。

为安全起见,此时土压力一般会考虑适当放大,比如按静止土压力,再考虑地震工况的放大,七度1.1,八度1.2,九度1.4。

某些特殊条件下,比如小型建筑,也许会要求设计人员核算主体结构基础底部摩擦力或桩基的抗剪能力必须大于传递到主体结构的土压力。


关于“沾”,也就这些了。

所谓“含”,想说的是这个模样:


 空中俯视,平面图是这样,

 


也就是常说的,三面有土,一面敞开,就像口中含了什么东东。


根据底盘边长的比值,又分为几种情况:

 L/B>3的,认为土体对结构的约束效果较差,建议按“沾”方处理,即设置独立支挡结构,建筑按大底盘多塔楼进行设计;

L/B<2的,认为土体的约束效果较好,可按下文的建议处理;

如果你遇到L/B在2与3之间的,只能怪自己命苦。


回到正题,假设通过不断的威胁利诱或者苦苦哀求,好歹使建筑师同意让L/B<2,结构人终于松了一口气,不由得对建筑师大生好感。


又遇到新的选项,

如果塔楼边缘距离底盘开敞边的距离b大于规范关于塔楼相关范围的规定,阿弥陀佛,结构狗只需要按常规加强各塔楼相关范围,同时适度增加开敞边结构刚度,在建筑师忍受之极限范围设几段混凝土墙之类的手段,整个结构就可以按嵌固端在底盘顶面的理想模式进行,各塔楼均为独栋高层,底盘按地下室进行结构设计即可。

         也许有些工作狂会要求考虑一侧开放带来的土压力不平衡问题,那也无妨,随便算算基底摩擦力,桩基抗剪什么的一般也就能过关。



如果塔楼被建筑大师放在了开放侧的边边上,可不是一个好消息,

少不得又要多费一些功夫。

其它的塔楼不受影响,还是一样的处理在底盘顶面嵌固;靠边的塔楼就需要进行两个模型的包络,一个嵌固在底盘顶面,一个带着相关范围,嵌固在底下;这个包络,羊认为只涉及竖向抗侧力构件的强度计算,不必扩大化;位移等指标,还是按嵌固在底盘顶面控制,不过此时的相关范围嵌固刚度比,宜适当做大一些为好。

再如果一个底盘上,多数塔楼都靠边,这就实在不够意思,还需要附加一个模型,大底盘多塔楼,对底盘顶板的应力进行核算,此时的大底盘多塔楼,只是一个计算模型,不强求满足规范中有关塔楼分布等等限制。

原本


暂不谈具体模型,而是往回走几步,如老庄所说,原其本。


在系列之一序中有言,众人纠结“嵌固”这一人造概念,与“结构之道”相比,有舍皎月而逐微星之嫌,但也没有办法,对于日出而作,日落而作的结构汪来说,一方面生活不止远方的田野,还有眼前的苟且,另一方面,“嵌固”也不是浪得虚名,而是颇有来头。


在设计规范层面上,从规范适用范围(是否超限)、结构体系的适用性、结构抗震等级划分几个方面,均按高度为指标,既然有高度,也就需要一个起点,建筑专业是按室外地面起算,消防是按救火车到达的地面起算,结构专业原来的规定和建筑一样,只是山地建筑中经常有两个室外地面,所谓“双首层”,有意见认为结构的高度应该从嵌固端开始计算。


起点不同,有时候终点也不同。


因此,嵌固端的确定,在某些情况下直接决定了结构是否超限,是否需要抗震专项审查(本地的抗震专审出名的严格),决定了结构模型(比如多塔楼或不是),也决定了设计的复杂和难易程度,含钢量的可控度,设计工期的预测,乃至项目组设计人员和其他资源的分工与分配,所以嵌固,实在要紧得很。


这是向上的,还有向下的。有观点认为基础的埋置深度也应该从嵌固端往下算,逻辑上似乎还蛮有说服力。当然,老羊一贯认为,设计实践中对基础埋置深度问题过度解读,只要滑移稳定倾覆没有问题,浅埋又何妨?还有审图机构要求独立基础或条形基础也要满足基础埋深的,谬之远矣。


嵌固端的本意是结构的相对不动点,字面上也可以解读出这个意思。以前曾经唠叨过这个话题,当时起的题目是:嵌固—结构虚拟的起点。

山地建筑中,结构的嵌固条件往往被结构汪俗称为“有土”,如“一面有土”、“两面有土”、“三面有土”,不过“四面有土”就没人说了,如果谁要讨论“四面有土”,大家会认为那就不是“有土”的问题,而是这人“有病”。呵呵。


 

 但是,“嵌固”本身是一个相对刚度比的概念,怎么和“土”拉上关系的呢?


这里应该是有些文化上的因素。 自古有“轻气上升为天,浊气下沉为地,此为天地初开。”的说法,即“阳清为天,阴浊为地”,地平线(也就是地面线)在汉文化中历来就象征着清浊之分,虚实之界,阴阳之别,天地之交,而大地的文化意象正是万物之基,坚实、厚重、亘古不变,“扎根大地”深入人心,因此,用地面来作为人类建于其上的建筑物的嵌固端(面)看来是一个最自然不过的选择,就如同我们看到一棵大树的联想,半专业的说法直接把高层建筑比作一根竖向的悬臂梁,而它的“固端”,无疑就是地面。



不过微观上看,人类建设活动所涉及到的地球浅表的土壤其实是松散的、变异的、混杂的,不能算一个理想的固定材料体,所以我们在土里插一根木棍时,总是用力插得更深一些,工程里埋一根电线杆,标准图集中地下部分的长度和地面以上长度之比接近于0.5, 也就是基础埋深达到1/2。老羊猜想这也许是现在规范中对基础埋深限制这么严的起源,说不定当时提出来的专家以前就是干市政的,呵呵,典型的以老羊之心度君子之腹了。


嵌固端,成为了公认的上部结构计算的起点,又慢慢发展出另一个有趣的推论,它同时成为了水平力的终点。


很多工程师认为,上部结构所承受的水平力,最后传递到嵌固位置的楼板,再通过刚性的楼板传递到周边的土体中去。因此我们要求嵌固位置的楼板是连续的、完整的,平面的、现浇的,甚至还要求是梁板结构(这规定很萌,很多平板结构刚度比梁板结构大得多,比如现浇空心楼盖),不能开大洞,不能有高差,嵌固层楼板就是一条水平力传递的高速公路,其周边自然要有土体作为最后的终点站,讨厌的水平力到此为止,消失在茫茫土海之中,杳无音信,总算有个妥帖的去处。所以,“几面有土”成为衡量结构嵌固条件的重要依据,哪怕地下室只有一面无土,就会让人担心那个方向的地震力最后没有去处,不得不继续向下探索,所谓“嵌固”就不那么有效了。



地震的本质是惯性力,起源于大地的震动,逻辑上来说,地震力如果真的传递,应该是由土体传给建筑,而不是反过来。结构和土体有耦合,有互动,但设想地震力最终在嵌固位置传递给大地,理想化的色彩就比较浓厚了。


前面讨论过,土不是刚体,差得远,它提供不了我们设想的坚定的约束,何况地震计算中结构底层的位移不过区区几个毫米,不可能引发土体的整体有效反应,多数意见认为土体本质上是在为结构提供附加阻尼,仅有一定的限制作用。振动台试验已经证明,老羊相信,底层四周外墙用混凝土浇上以后,外面有没有土都不会影响结构的振动试验结果,关键是有没有墙,这就是刚度问题。直观上也可以想象,对于一幢位于硕大底盘上的塔楼而言,百米之遥的房间外面有没有土有多大区别呢?塔楼相关范围才值得关注,现行规范规定相关范围构造嵌固刚度比1.5到2,老羊觉得可以再加码,比如只要相关范围嵌固刚度比大于4,即可认为嵌固成立,这就简单多了。 哎哟,不要打人!



在隔震结构中,“嵌固”这个概念就受到了很大挑战。对隔震结构的所谓嵌固刚度比最新的权威解释是,要限制,不过是跳过隔震层,用隔震层以下的刚度去比隔震层以上的刚度,这个解释是一位权威传递给老羊的,不知道他信不信,反正老羊不信。


但,没有一个起点真还不行。正是由于岩土的非线性、非均匀、非连续、非一致、非稳定,目前可以说,凡是把土体带入模型的精确计算都是噱头,就如同那些祝贺你中奖的短信,老羊干过一年的工程勘察,粗粗知道理想和现实的差别,所以,结构汪必须在土体和结构之间划一道界限,避免彼此的纠缠,地面,是最好的选择。只是,这本来就是一个权宜之计,也就不必再勉强,费尽心力,要在粗线条的框架上装饰精美的图案。


在嵌固条件的争论上,借一句老话,可能我们已经走得太远,以致于忘了为什么出发。


上文说过,大家统一接受了这个观点:“有土有嵌固”,天下太平了一阵,后来的我们遇上了一些模样稀奇古怪的东东,戏称为:“有限土体”,和“有限土体连续坡”。


颜值不高,但都积极要求进步,纷纷希望加入“嵌固”的队伍。


众人又议了多次,在消耗了大量尼古丁和乙醇之后,大约有一个妥协,

对于有限土体,

第一. 要求a>h ; 

第二.要求b>1.5h;

第三. 要求土体如存在支挡结构,则需按静止土压力并考虑地震角进行支挡结构的计算;

第四,隐含要求,塔楼距有限土体侧底盘边缘的距离大于h.


如果是有限土体连续坡,上款同样有效,但要求b>2.5h,同时建筑的荷载应尽可能传到深处岩土体,不得对边坡稳定带来不利影响。


以上条件全部满足者,可视为有效嵌固。

不能全部满足者,估计有一堆会议等着亲。

左算右算

今天谈一个由上节衍生出来的问题:有限土体条件下的基础埋深计算方法。

老羊对基础埋深一向十分宽大,所以对如何计算也没什么心得,下文中的方法是本地一位绰号“表哥”的资深专家老兄为主提出来的,老羊身为大表哥,自觉应该放下己见,如实为大家介绍一番,一则有利同行交流,二则遇到确需要计算的时候,可以做一个参考。


这个方法是以保证有限土体的稳定为前提的,可以理解,如果这堆土不稳定,显然不能作为基础的有效埋深条件,关键在于如何计算其稳定性。


常规的土体稳定如边坡计算是将图中坡面以右的部分视为无限土体,利用库伦或朗金公式用主动土压力计算,暂且称为左算法;表哥等同志认为,在考虑右侧结构基础埋深的时候,上述的计算是不充分的,还必须补充右向计算,即右算法。在右侧结构因受荷产生向左水平位移的情况下,将对有限土体施加被动土压力,此时土体需保持稳定。由于被动土压力比主动土压力大得多,如此折算出的边坡“等效”高度就比土体的实际高度要小。


下面介绍实际操作方法。

以结构底部与土体接触角点A出发,以θ角做辅助线,或许你能想起高中解几何题的情形,(其中θ角为边坡在土压力作用下的破裂角,重温土力学,θ=90-φ;φ是土体内摩擦角,视土质情况一般在20-35度之间)。好吧,做出的辅助线与坡面交于点B,由B做水平线,该水平位置即为结构有效基础埋深的起算标高水平,图中的线段AC长度(h)加上基础高度,就是结构的基础有效埋深。


各位看官想必看得明白,h实质上是对基础表观埋深H的一个折减,这也符合结构汪对于“有限土体,作用有限”的心理预期,因此,表哥的方法一经提出,便受到大家的欢迎。老羊赞赏的是这种思路,即不求理论完美,而是为一个复杂问题提出一个可操作的解决办法,这很重要,因为学术可以纠缠,而工程总是要出图的,审查专家固然可以用一些谁都搞不清的问题问蒙工程师,但更要给出一条出路,让设计工作可以继续下去。

人造

山地建筑的形象越来越千姿百态,能够说出“几面有土”的已经算是眉清目秀,遇到下述情况难免就会犯晕,不知道该如何下手,


好在道高一尺魔高一丈,工程实战中就出现了这样的招数,也算特殊的有限土体,老羊称为“人工嵌固”。


呵呵,比如这下,人造土体以左按嵌固在基础顶面的大底盘多塔楼处理,而以右则按嵌固端在地下室顶面的多个单体处理,一分为二,横刀立马。


人工嵌固体的做法通常是两侧钢筋混凝土墙,也是两侧“地下室”的外墙,中间填上砂或土夹石,当然有通道(隧道)连通两侧,嵌固体宽度多数是底盘高度的0.7-1.5倍,因人而异。该个区域结构刚度十分集中,视为嵌固边界也说得过去。


人工嵌固在解决某些特定条件的工程问题也是一策,不过老羊曾见识发扬光大的实例,干脆每个塔楼都被如此划出来自成嵌固,魄力十足,也反衬出那个建筑师必定是个软柿子。

重温

既然讲山地嵌固,老羊想起一篇文章,今天和大家一起重温旧文。


在2012年第2期《工程抗震与加固改造》杂志上,亚勇先生撰文《建筑抗震设计规范GB50011-2010问题解答(一)》,其中有一个问题涉及到坡地高层建筑嵌固,在此原文摘录,


     “3.4节 建在坡地上的高层建筑,裙房层数不同,两侧地面标高不同(如图所示),抗震设计时怎样考虑结构侧向刚度不均匀对结构的不利影响?


    ( 答):本工程抗震设计应注意如下几点要求:

(1) 如果裙房不用防震缝分开,应按双塔计算;

(2)左塔楼宜按3层裙房考虑,且应满足嵌固条件;

(3)如果左塔楼裙房侧向刚度足够大,可作为右塔楼裙房侧限。因此,右塔楼裙房可视为地下室,并可据此验算塔楼的嵌固条件。”


羊尾续貂,说上几句,

这一问一答老羊觉得有趣,问的是“如何考虑。。不利影响”,而先生的回答并没有对“不利影响”做出正面回应,而看上去更像是“有利影响”,彰显了先生在这个问题上的开放性,回答第(3)点中提出的论点,老羊理解为“刚度大的建筑可作为相邻建筑侧限”,这是具有突破性的思考,让侧限和嵌固都回到以刚度为基准的初心,实在是让人赞叹的大手笔!


不过,回答本身还是有难解之处,比如,如果按第一条处理为双塔,那就不存在后面的第二第三了;另外,如何理解“侧向刚度足够大”也是纠结,如果没人知道多大是足够大,那么在工程实践中,就永远没有“足够大”,至少在图审公司眼中就是这样。

工程中也有细节问题需要达成共识,上图是剖面示意图,那么,左右塔楼的不同平面位置关系对嵌固是否有影响呢?比如以下几种均可能存在,所以要真的实现以刚度大建筑作为相邻小刚度建筑的侧限,还要不少具体问题有待深入讨论,这在实践中路漫长。

其实这个回归刚度的思路可以继续延伸,比如常见的混凝土结构上的钢结构部分,上下刚度也差异很大,同理可以理解为钢结构的嵌固端在混凝土结构顶面;以及很大底盘上的小型建筑,可以处理为嵌固在底盘顶面;再延伸到隔震建筑,则隔震结构的嵌固端就理所当然的在隔震层顶面了。


      结构汪一定会问:刚度比要到多少?

      如果要给一个上限的话,那就是,一万倍。


勘察设计大师、规范主编

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