林 杰

(福州市建筑设计院有限责任公司 福建福州 350011)

1 概况

福建境内峰岭耸峙，丘陵连绵，河谷、盆地穿插其间，山地、丘陵占全省总面积80%以上。近年来，随着城市规模的扩张，城市建设开始向山地、丘陵发展，依山而建的建筑逐年增多。常规山坡地建筑设计，极易形成多塔楼连体结构如图1所示，上部有多座主楼下部通过大底盘联合，而一向为开口的半地下室。从结构设计角度，为避免形成多塔和连体等复杂结构体系，通常沿主楼设抗震缝来解决问题。而有些工程因其特殊性，设抗震缝并不合理，或不能完全解决问题，如下文将要述及的NY项目。

图1 某坡地建筑场地剖面分析图

NY项目位于福建省福清市，场地原始地貌单元跨越残丘坡地及冲洪积阶地，西南高，东北低，场地高程分析图如图2所示。NY项目用地性质为工业用地，规划用地面积为74 669 m2，拟建厂区地上部分共分为A、B、C、D四个区，其中A区含4幢多层厂房，B区含26幢多层厂房，D区含3幢多层厂房。C区含4幢多层生产配套服务用房和3幢高层生产配套服务用房，B-6#～B-23#、C-6#～C-8#、D-1#、D-2#楼建筑下设一层联体地下室，总建筑面积约16.12万m2，地下建筑面积约3.4万m2，NY项目总平与地下室边界示意图和A-A剖面如图3～图4所示。

图2 NY项目场地高程分析图

受场地原因和建筑使用功能限制， NY项目地下室仅三面围土，北向开口率较大，且在地下室西南角设有两个常六级人防单元。地下室范围内的主楼较密集，加之人防区的设置要求等，均决定了该半地下室上方主楼无法按常规设缝处理。 而不设缝，该半地下室和上部主楼将形成多塔结构，主楼及连接体受力复杂，对抗震不利，造价高。因此，该项目地下室顶板按作为上部结构的嵌固部位设计较为合理。

如何将半地下室的顶板设计成上部多主楼的共同嵌固部位？ 在NY项目的结构设计中，立足建筑使用功能，在地下室创造性开口侧采用闭合刚体结构替代支挡边坡，通过计算分析和构造措施，保证所设计闭合刚体能满足地下室顶板做为上部嵌固部位的受力要求，实现兼顾建筑使用和结构受力的双赢。下方将从理论出发探讨闭合刚体的设计思路。

能约束结构所有位移和转角(Dx、Dy、Dz、θx、 θy、 θz )的部位，称为嵌固部位。嵌固端是指对该点的各向位移进行完全约束，使之不能发生任何移动。真实的结构不具备这样的点，只有相对不动点，所以嵌固也是相对的。

2 理论支持

地下室顶板作为上部结构的嵌固部位的规范要求(参见《抗规》[1]第6.1.14条、《高规》[2]第5.3.7条和《高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析》[3]第5.3.7条)：

(1)完整的地下室(全埋地下室)——提供侧向约束；

(2)地下室顶板的整体刚度，必须具有足够的平面内和平面外刚度，以有效传递地震基底剪力；

(3)结构地上一层的侧向刚度，不宜大于相关范围地下一层侧向刚度的0.5倍。

另外，《抗规》在第6.1.14条条文说明中提出，在山(坡)地建筑中，出现地下室各边填埋深度差异较大时，宜单独设置支挡结构。但如何设置支挡结构，支挡结构要满足何种条件？规范未明确。

由此，可以得出这样一个初步设想：NY项目如果在开口地下室一侧设置支挡边坡结构，是可以保证地下室顶板作为嵌固层的有效性，当然支挡边坡结构应保证稳定性，在罕遇地震作用下，不至于破坏的性能要求。一般认为，嵌固层标高处的土体水平尺寸a应大于1.0倍从嵌固层算起的地下室高度H(a>1.0H)，地下室底板标高处的土体水平尺寸b应大于1.5倍从嵌固层算起的地下室高度(b>1.5H)，如图5所示。

但是，如果设置支挡边坡，却无法满足建筑功能使用要求，在与建筑专业充分沟通后，该项目采用闭合刚体替代支挡边坡，闭合刚体可看成掏空的支挡边坡结构，如图6所示。闭合刚体须有足够刚度和承载力，满足顶板作为嵌固端的侧向约束要求。代替挡土墙的支挡结构功能。闭合刚体下埋地下室底板面以下1900，以满足土侧被动土压力需求，闭合刚体在地下室底板位置设隔板，以提高刚体刚度及传递水平力，如图7所示。

图6 A-A剖面(采用闭合刚体替代支挡边坡的近似全埋地下室)

图7 闭合刚体受力详图

3 技术处理

综上，为满足人防地下室及地下室顶板作为上部主楼嵌固端要求，NY项目地下室采取技术措施如下：

(1)在地下室北向外墙侧设通长钢筋混凝土墙，仅在坡道处及北向主楼B-25#～B-29#(与地下室设缝脱开)与地下室间的通道处开口，开口率满足《闽人防办〔2018〕56号》文件的相关要求(普通地下室各出入口的断面面积不宜大于该垂直面的普通地下室横截面积的1/7，同时普通地下室任何一面外墙面开孔面积总和，不宜大于该墙面面积的50%)。

(2)在地下室北向三跨范围内(长度18 400 mm)设置闭合刚体，除了在北向外墙侧设通长钢筋混凝土墙外，还结合地下室建筑平面布置，在北向第三跨以及北向三跨间的纵向设置钢筋混凝土墙，形成闭合刚体(图8)，以抵抗对应位置主楼传来地震力和风荷载作用。

图8 地下室平面(闭合刚体布置图)

(3)闭合刚体在地下室底板位置设隔板，以提高闭合刚体刚度及直接传递水平力。

4 计算分析

为保证上述技术措施的有效性，需要验算闭合刚体是否有足够刚度和承载力满足其受力要求，保障地下室顶板作为嵌固端的有效性。具体如下：

(1)计算模型选取

选取地下室中受力最大的区块(图9)进行计算，区块中含C-6#、B-7#、B-10#、B-22#楼，上述四楼所受的Y向地震力及风荷载作用，将由区块范围内的闭合刚体(图10)所承受。

图9 C-6#、B-7#、B-10#、B-22#楼区块

图10 C-6#、B-7#、B-10#、B-22#楼区块对应闭合刚体

(2)荷载计算

根据上部主楼计算提供结果(采用YJK系列软件进行计算)，结果如表1所示。

表1 C-6#、B-7#、B-10#、B-22#地震剪力和风剪力计算结果

闭合刚体所需承受附加Y向地震剪力：3017.6+3×1416.7=7267.7 kN；

闭合刚体所震承受附加Y向风剪力：3779.3+3×767.4=6081.5 kN。

闭合刚体所需承受附加Y向水平剪力，按考虑地震与风的组合进行计算(参考《高规》第5.6.3条)：(1.3×7267.7+1.4×6081.5×0.2)/1.3=8577.6 kN，仍以地震剪力方式考虑。

叠加闭合刚体本身所承受Y向地震力和风剪力后；

闭合刚体实际所需承受Y向地震力：8577.6+1281.5=9859.1 kN;

闭合刚体实际所需承受Y向风剪力：6081.5+208.3=6289.8 kN。

(3)多遇地震(小震)工况计算

闭合刚体电算模型实际输入值：

Y向地震力：10 007.4 kN(全楼统一地震作用放大系数按9倍考虑)

Y向风剪力：7356.7 kN(在前处理及计算中对风荷载进行修改)；

其余荷载根据地下室设计条件正常输入，最终设计采用包络配筋，即考虑正常地下室顶板荷载下配筋，与作为支挡结构的最大配筋包络。主要计算结果如图11和表2所示。支挡结构的变形可以满足作为嵌固层的要求。

图11 多遇地震(小震)工况计算结果

表2 闭合刚体多遇地震(小震)工况指标汇总

(4)中震工况补充验算

为保障闭合刚体在罕遇地震作用下不至于破坏的性能要求，对闭合刚体做中震工况验算，对闭合刚体中的Y向剪力墙和框架柱，要求按中震弹性计算配筋。中震作用下的Y向地震力：28 771.2 kN，其余主要计算结果如图12和表3所示。支挡结构在中震情况下的变形，可以满足作为嵌固层的要求。

图12 中震工况计算结果

表3 闭合刚体中震工况指标汇总

综合上述，支挡结构闭合刚体的刚度可以满足作为嵌固层的要求。支挡结构闭合刚体的最终设计采用包络配筋，即考虑正常地下室顶板荷载下，配筋与作为支挡结构的最大配筋包络。支挡结构闭合刚体墙柱配筋考虑多遇地震(小震)工况，与中震弹性结果包络值配置。此外，闭合刚体设计时还在地下室底板位置设隔板，以提高刚体刚度及直接传递水平力。按包络设计后的支挡结构闭合刚体，能保证地下室顶板作为嵌固层的有效性，也满足即使遭遇罕遇地震作用也不至于破坏的性能要求。

5 结语

文中对三侧围土、一向开口的半地下室顶板，做为上部有多座主楼的嵌固部位的技术要求，进行了探讨。NY项目中采用在地下室开口侧设置闭合刚体的形式，替代支挡边坡结构。为验证闭合刚体的有效性，文中选取合适的计算模型，根据其实际受力，采用YJK软件进行计算分析。通过采取相应构造措施后，所设计的闭合刚体具有足够的刚度和承载力，能满足顶板作为嵌固部位所需提供的侧向约束要求。

随着山地建筑的大量涌现，开口地下室的问题成为近年来设计的热点问题。对开口地下室设置闭合刚体，即可满足全埋地下室要求的处理方式，实现了兼顾建筑使用和结构受力的双赢，具有良好的综合经济效益，值得其它类似工程借鉴应用。