山地建筑在人类发展历程中的应用历史悠久,近现代以来,出于开拓生存空间、获取山地资源以及回归自然的需求,人类的山地建筑活动愈发频繁^[1]。山地建筑的形态,取决于其所依赖的山地环境,并与山地地形地貌相协调以减少对坡地的高挖或高填,起伏、倾斜的山地地形使得山地建筑的设计中常出现多个接地面的情况,在结构设计中将这类结构称为山地建筑结构。

　　 以往,人们并未重视此类结构地震响应特征及破坏机理与常规结构的差异,常采用依据常规建筑结构的设计规范,并根据经验进行加强的方法来进行山地建筑结构的设计。但近年来发生的汶川地震、Sikkim地震中,均发现了不同于常规建筑结构的山地建筑结构震害特征^[2,3,4,5]:1)接地部位的震害程序重于上部结构;2)扭转效应显著;3)边坡变形对建筑物影响不可忽略等。这些特殊的震害特征引起了国内外学者对山地建筑结构的关注,并开始重视对山地建筑结构及其抗震设计的相关研究。

　　 不等高基础嵌固端的存在,造成了结构受力变形特点、动力响应特征与常规建筑结构的不同,同时,引发了结构抗震性能设计中概念设计、抗震计算及抗震构造措施等方面的各种问题^[6]。目前,通过对山地建筑结构中存在问题的归纳汇总,并结合结构抗震性能设计的相关要求,国内外学者在场地与地基、荷载与输入、结构分析等方面均已开展了一定程度的研究,并已为结构抗震设计编制相关规定。但是,目前对山地建筑结构的研究在深度和广度方面仍存在较多不足。

　　 山地建筑结构是基础嵌固端不在同一水平面上且不能简化为同一水平面的结构^[7],与常规建筑结构主要的区别在于不等高的基础嵌固,即接地形式的差异。

　　 不等高的基础嵌固引起结构刚度分布在水平面及竖向的不均匀,且水平力通过不同接地端传至地基,这是造成结构受力及变形特点与常规结构不同的根本原因。应注意到,在顺坡向,山地建筑结构的刚度分布情况已难以通过简化计算来衡量。研究表明,对底层不等高的框架,D值法得到的刚度已不能准确计算其内力,在底层、二层及顶层会产生较大误差^[8];对掉层结构,按照“等代柱方法”^[9,10]将掉层部分及上接地层非接地部分进行等截面、不等高柱的等代,该方法虽然在反映上接地层内竖向构件内力分布方面具有较高的精确度,但由于掉层部分无水平作用的前提条件,计算得到的刚度与实际地震作用下结构表现出的刚度分布存在差异。通常情况下,上接地层竖向接地构件因端部固接而刚度较大,使得水平力作用下该构件分担大部分楼层剪力。在横坡向,不等高约束基础使上接地层存在较大的刚度中心与质量中心的偏心,且难以通过调整结构布置来消除这种偏心,由此造成结构难以避免的扭转效应^[11,12]。

　　 根据接地形式,将山地建筑结构划分为四种基本形式:掉层、吊脚、附崖和连崖^[7],如图1所示,并由这四种基本形式衍生出多种多样接地情形的山地建筑结构。掉层结构的同一结构单元内有两个或多个不在同一平面的嵌固端,并利用坡地高差处的空间;吊脚结构采用长短不同的柱将坡地架空成平台后再在其上进行修建;附崖结构与山崖的竖向界面重合且相连;连崖结构则是在建筑物中上部设置建筑出口,且出口与建筑结构和崖体均有可靠连接。相对于常规建筑结构而言,山地建筑结构与边坡的复杂联系,造成边坡的微小变形亦将引起结构中较大内力的情况^[13,14],多层接地框架土-结构共同作用的分析结果也表明其性能受地基情况的明显影响^[15],这是山地建筑结构性能研究中不可忽略的因素。

　　 对坡地场地自身而言,山地建筑结构的存在会对边坡产生影响。D.K.Paul在研究中强调,对结构的坡地场地,确定边坡稳定性的计算中应考虑到结构基础传来的荷载,并对不同结构布置情况下边坡的安全系数进行规律性分析^[16]。Y.Singh等的研究表明山地建筑结构与边坡的相互影响程度甚于常规建筑结构^[17],并通过山地建筑结构对边坡安全性影响的研究,发现在重力和地震作用下,结构或基础可能导致边坡的局部破坏^[18]。王方对坡地建筑的场地稳定性分析研究中指出,主要作用力分析应包括:地应力、建筑荷载作用、地下水的力学效应、地震动效应等,其中建筑荷载是不能忽略的作用效应^[19]。

　　 陈欣等研究了岩质和土质边坡内桩基对边坡支档结构侧向土压力的影响,认为静力作用下,无外倾结构面的岩质边坡锚杆支挡设计时需要考虑建筑桩基的影响,而动力作用下,土质边坡内的建筑桩基会传附加土动力到挡土墙^[20]。王方等^[21,22]探讨了在坡地上建造多层建筑时边坡的稳定性、挡土墙设计及不良地基处理问题,提出场地、地基、基础应与上部结构协调设计、计算。郑毅敏等以泉州师范学院图书馆为例,验证了山地建筑结构同一结构单元采用不同基础形式的可行性^[23]。

　　 边坡场地的特殊性亦造成了山地建筑结构的风荷载和地震作用与常规建筑结构不同,且不同接坡方式时还可能存在岩土压力的问题。

　　 对山地坡体而言,风洞试验及数值模拟的研究发现,山地整个侧风面具有不可忽略的加速效应,对于侧风面加速度效应起控制作用的位置,按照《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)取迎、背风坡面的建议取值会偏于不安全^[24]。对单个结构而言,不同的基础标高使得建筑结构不同受风面室内外地面标高和受荷面积不同,计算风荷载时不同受风面的风荷载起算点存在差异。

　　 研究表明,局部突出地形对地面地震动的放大作用不容忽视^[25]。5·12汶川地震中,坡顶及斜坡段上的建筑物的震害显然比周围常规建筑物的严重^[2,3],除了建筑物自身的设计因素及边坡的稳定问题外,坡顶及斜坡段上地震动的放大是不可忽略的。《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)第4.1.8条已给出了局部突出地形顶部水平地震影响系数最大值的放大系数,但未对斜坡段上位置进行规定。王丽萍、任毅等^[9,26]通过二维空间的模拟,研究不同坡角、坡高的场地对反应谱的影响,提出了岩质斜坡段上水平向及竖向设计地震动的放大系数。

　　 在坡地场地中,坡上与坡下地表地震动之间存在差异,见图2,坡上地表地震动的幅值和反应谱卓越周期受坡高和土质条件差异的影响^[27]。对非岩质地基山地建筑结构的研究发现,当约束相差高度较大时,若采用基础嵌固的刚性地基模型,需考虑结构不同接地端输入地震动的差别^[28]。即使地震动被一定程度放大,一致输入下结构部分楼层亦将偏不安全^[27,29],这是个应该引起重视的问题。

　　 目前,山地建筑结构分析方面的研究对象主要为吊脚、掉层形式的钢筋混凝土框架结构、框架-剪力墙结构和剪力墙结构。下面,将从结构分析模型、计算分析方法、结构动力响应及性能控制指标方面分别进行总结。

　　 场地及接地方式的复杂性,使得山地建筑结构分析模型的建立需重视地基对各接地端的约束程度和边坡与结构间的连接情况,目前多采用刚性地基假定模型及考虑边坡的整体模型进行分析,边坡与结构间的连接采用链杆或弹簧。当上覆土层为软土时,若采用刚性地基假定的模型来分析掉层结构,将会低估掉层部分的受力及变形情况^[28],因为在考虑边坡-结构相互作用后,结构的高阶振型在地震反应中的参与程度提高,而掉层部分正是受高阶振型影响显著的楼层^[30,31,32],且在近断层场地该影响更为显著^[33]。由于山地结构存在不可避免的扭转问题,平面模型并不能反映出结构的扭转问题,沿横坡向提取的平面框架不能表征空间掉层框架该方向的相关反应^[34]。结合坡地场地上地震动差异性的存在,考虑边坡的三维整体分析模型是模拟山地建筑结构最为准确的模型,它能同时考虑到地震作用问题、土-结构相互作用及结构的空间问题,但该模型需进行人工边界模拟,建模要求较高,且计算量大,并不适用于实际工程。在土-结构相互作用的研究中,采用有限基础刚度的模型来计算其对结构的影响^[35,36],这可作为山地建筑结构中坡地-结构相互作用的一个研究方向。

　　 结构反应分析中,在弹性阶段,由于结构的水平地震作用不再呈倒三角形,如图3所示,底部剪力法已不适用。采用振型分阶反应谱法时,应取足够的振型数,以考虑高阶振型对掉层部分的影响^[31]。在弹塑性阶段,动力时程分析方法及静力弹塑性分析方法均可采用。在动力时程分析中,应注意根据研究目的进行合理的地震动输入。在静力弹塑性分析中,山地建筑结构的适用性问题主要包括加载模式和推覆方向,其中推覆方向包括顺坡向和横坡向,目前主要研究了顺坡向的推覆,结果表明:单一的加载模式难以全面评价结构的性能^{[37,38,39,40]};采用相同加载模式时,顺坡向不同推覆方向(自掉层侧或自接地侧)的结果存在差异,主要表现在上接地层及掉层部分^[37]。

　　 结构的抗倾覆验算同样存在横坡向、顺坡向的不同,且当前研究主要在顺坡向,该方向存在不同高度的倾覆点,相同倾覆荷载作用下结构对不同倾覆点的倾覆弯矩存在差异,抗倾覆能力亦不同^[31,40],结构整体抗倾覆安全系数与结构布置密切相关,掉层结构抗倾覆能力相对于常规结构偏不利^[41]。

　　 在线弹性反应研究中,单志伟^[42,43]等比较了掉层框架结构与常规框架结构的受力及变形,发现其掉层部分的层间位移角和楼层剪力远小于常规框架结构的相应楼层,而上接地层及以上楼层的层间位移角和楼层剪力则略大。对掉层结构的动力特性分析表明:基本振型主要影响结构上部楼层,掉层部分主要受高阶振型的影响^[31],见图4。杨实君^[44]的研究发现吊脚框架结构的位移、剪力分布与常规框架结构差别不大,但扭转效应显著。Y. Singh等^[45]分析了掉层结构和吊脚结构的动力特性及结构布置对楼层加速度需求的影响,通过规律性研究给出简化的楼层加速度谱放大函数。

　　 山地建筑结构的布置对场地情况有较强依赖性,B.G. Birajdar^[46]等对掉层、掉层-退台和退台三种布置方案的结构进行反应谱分析,对比了其动力响应,指出掉层-退台的布置形式更适用于坡地场地。A.R. Vijaya Narayanan等^[4]研究了不同接地方式,不同结构平面尺寸的坡地框架结构的地震响应,认为沿顺坡向平面尺寸较大的结构在强震下更易损伤。

　　 大量非线性研究表明,掉层结构在强震作用下的薄弱部位和破坏模式不同于常规框架,破坏主要发生在上接地层,上接地柱、上接地层及相邻楼层首先破坏且破坏最为严重,掉层底部其次破坏,表现出明显的塑性向掉层底部转移现象。在顺坡向,已研究了地震动输入^[30,34]、土-结构相互作用^[29,47]、设置拉梁^[48]、延性影响因素^[33,49]、近远场地震动^[33,49,50]及主余震^[33]等对掉层框架结构破坏模式的影响,进行了典型山地掉层框架^[51]与带拉梁掉层框架^[52]的拟静力试验,并初步研究了掉层框架在大震下的内力重分布规律^[53]。在空间效应方面,对掉层框架结构的弹性及弹塑性扭转响应^[11,54,55]及控制措施^[56]进行了研究,并对常规框架结构、掉层框架结构及不同抗震措施的掉层框架结构进行振动台试验^[57,58]。研究表明:拉梁的设置对掉层结构的受力特征及抗震性能影响显著,设置拉梁后上接地层柱内力分配相对均匀,上接地层楼板内轴力减小,拉梁轴力相对较大,且结构塑性向上部楼层发展,不会向掉层部分发展,见图5。对掉层框剪结构^[59,60]和掉层剪力墙^[61]结构,也已在顺坡向的受力特征、弹塑性响应及剪力墙布置方面取得了初步成果。对掉层框架结构抗倒塌能力的研究表明其抗倒塌储备低于常规框架结构^{[33,50,62,63]}。在吊脚框架结构中,增大短柱截面尺寸以保证其承载力时,结构遭遇罕遇地震情况下将会引起薄弱部位的转移,尤其以最短柱为中心周围构件损伤严重,极有可能导致上部楼层整体坍塌^[64]。

　　 在结构的分析中发现,结构存在特殊的受力构件,包括轴向受拉力较大的梁、梁承受轴向拉力的框架节点、受扭显著的上接地竖向构件。对梁承受轴向拉力的框架节点的受力机理与抗震性能的模拟研究表明:此类节点与常规钢筋混凝土框架节点受力机理相同,破坏模式基本一致,但节点核心区抗剪承载力有所减弱^[65,66]。

　　 在结构中布置阻尼器,可较好地控制结构的地震响应,但相同布置情况下,掉层框架结构的内力控制效果弱于常规结构^[67]。对阻尼器的优化布置研究指出,在顺坡向,阻尼器应对称布置,在横坡向,阻尼偏心率宜偏向结构柔性端且不应过大^[68]。陈淼^[69]对无控、层间隔震、加固、分配、基础隔震的掉层框架进行研究,发现结构的破坏均由柱铰控制,且结构的安全性依次增加。韩军等^[70,71]研究了掉层框架结构上接地柱柱底在固接、铰接、滑动及隔震约束时结构性能的差异,建议掉层跨数较多时上接地柱底可采用滑动或隔震支座。张龙飞等^[72,73]通过振动台试验研究了山地掉层隔震结构倾覆失效机理及扭转效应。孙英彬将基于位移的抗震设计方法和消能减震技术相结合,对掉层框架结构减震后的抗震性能进行研究^[74]。

　　 在结构设计方面,针对抗震设计中的一系列控制指标进行了适用性研究。对掉层结构而言,上接地层的相邻下层并非其软弱层或薄弱层,进一步证明不能依据现行规范中的层刚度比及抗剪承载力比来判断掉层结构的软弱层及薄弱层位置。采用不同刚度控制方案研究山地建筑结构的抗震性能,发现掉层部分与等效底层的刚度比及等效底层与相邻上层的刚度比均会影响结构的软弱层和薄弱层的位置,但并没有发现显著优于其他方法的方法^[75,76]。结构的较大偏心率使得控制周期比已不能达到控制结构扭转的效果,且层间位移比不能真实反映结构的扭转效应^[11,12]。对高层掉层结构,掉层部分难以达到规范规定的楼层最小剪力系数要求,张九荔通过不同局部楼层地震剪力系数时结构的塑性变形情况,对楼层最小剪力系数控制进行研究^[77]。张静通过对不同剪力墙布置及高宽比的掉层框架-剪力墙结构的破坏部位的研究,为底部加强区范围的确定提供建议^[78]。但基于山地建筑结构的受力特征,其整体稳定性、刚重比的验算等仍是需要解决的问题。

　　 近年来,随着研究的深入,各地对山地建筑结构的设计已逐渐规范化。2013年12月,云南省住房和城乡建设厅印发的《云南省山地城镇建筑设计导则(试行)》^[79]在结构设计方面对场地、地基与基础和抗震计算方面做了一些要求。2016年发布的《重庆市住宅建筑结构设计规程》(DBJ50-T243—2016)^[80]对山地建筑结构的场地及边坡、结构布置、规则性要求、计算分析、抗震构造措施等进行了系列性的规定。目前,行业规范《山地建筑结构设计标准》已进入报批流程,该标准定义了山地建筑结构中的常用术语,对结构设计基本规定、荷载与作用、结构计算分析、地基与基础中的特殊问题进行了规定,针对应用最为广泛的钢筋混凝土房屋、砌体房屋和底部框架-抗震墙砌体房屋,在房屋高度、抗震等级、内力调整、构造要求等方面进行详细规定,为结构设计提供更为科学合理的参考依据。

　　 (1)从场地、荷载与作用、结构的动力响应等方面阐述了山地建筑结构的特殊问题及研究现状,并介绍了目前对山地建筑结构设计的规定。当前的研究成果有助于了解山地建筑结构的特殊性,对其地震响应规律、抗震性能研究具有重要的参考价值,但目前的研究对象多为岩质边坡时的框架结构,在结构形式、边坡类型方面的全面性还远远不足,有待加强对框架-剪力墙结构及非岩质边坡、多台阶边坡时山地建筑结构性能的进一步研究。接地方式如设置拉梁对结构性能影响显著,但目前在此方面研究有限,需结合实际工程进一步扩展。

　　 (2)目前的研究大多是改变结构布置方式的数值模拟,需要以更为本质的因素为变量,来反映结构的动力特性。加强理论研究,建立山地建筑结构动力反应方程,找出影响结构动力特性的关键参数,为结构分析提供合理的参数范围,并进行结构破坏机理的深入研究。

　　 (3)当前对山地建筑结构的试验研究尚有限,可采用试验方法对山地建筑结构中的特殊构件、空间效应、土-结构相互作用等进行研究,并对提出的设计调整、控制及加强措施等进行校验。

　　 (4)在结构抗震设计理论方面,目前的研究尚不够系统、全面,研究成果仍滞后于实际工程应用,应加强山地建筑结构概念设计理论及相应抗震措施研究,完善山地建筑结构抗震设计理论体系和实用化方法,为山地建筑结构合理设计提供基础。