贝震宇

摘 要：在高烈度地区结构设计中遇到结构整体计算时输出结果中基础零应力区超过规范规定限值的情况。通过分析产生这种情况的原因，按实际情况进行计算复核，并调整设计使建筑物基础零应力区控制指标满足规范要求，保证结构整体稳定。

关键词：高宽比；整体倾覆稳定性；基底压力；基础零应力区

中图分类号：TU312 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）21-0066-03

Abstract： In the structural design of high intensity area， it is encountered that the zero stress zone of the foundation exceeds the limit value stipulated in the code when the output result of the whole structure is calculated as a whole. Through the analysis of the causes of this situation， the calculation and review is carried out according to the actual situation， and the design is adjusted to make the control index of the zero stress zone of the building foundation meet the requirements of the standard， so as to ensure the overall stability of the structure.

Keywords： ratio of the building's height and width； stability of building； foundation pressure； the zero stress zone of the foundation

引言

为了保证建筑的结构整体稳定性，在结构设计中须要对结构进行结构整体抗倾覆验算。《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（以下简称为《抗规》），《构筑抗震设计规范》GB50191-2012（以下简称为《构抗规》，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010（以下简称为《高规》），《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011（以下简称为《地基规范》），《高层建筑筏形与箱形基础技术规范》JGJ6-2011（以下简称为《箱基规范》），均对结构整体抗倾覆验算有明确规定。

《抗规》中第4.2.4条規定：高宽比大于4的高层建筑，在地震作用下基础底面不宜出现脱离区（零应力区）；其他建筑，基础底面与地基土之间脱离区（零应力区）面积不应超过基础底面面积的15%。

《高规》第12.1.7条规定：在重力荷载与水平荷载标准值或重力荷载代表值与多遇水平地震标准值共同作用下，高宽比大于4的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区；高宽比不大于4的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。

《构抗规》第4.2.5条规定：验算天然地基的抗震承载力时，基础底面零应力区的面积大小应符合下列规定：

（1）体型规则的构筑物，零应力区的面积不应大于基础底面面积的25%。

（2）体型不规则的构筑物，零应力区的面积不宜大于基础底面面积的15%。

（3）高宽比大于4的高耸构筑物，零应力区面积应为零。

《箱基规范》5.3.3条中规定：在地震作用下，对于高宽比大于4 的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区；对于其他建筑，当基础底面边缘出现零应力时，零应力区的面积不应超过基础底面面积的15%；与裙房相连且采用天然地基的高层建筑，在地震作用下主楼基础底面不宜出现零应力区。

另外《高规》第12.1.6条，《地基规范》第8.4.2条，《箱基规范》第5.1.3条都规定高层建筑筏基偏心距e的限值，概括如下：位于均匀地基及无相邻建筑荷载影响条件下的单栋建筑，基底平面形心宜与结构竖向永久荷载重心重合。当不能重合时，在作用的准永久组合下，其偏心距宜符合下列要求：e≤0.1W/A（W为基础底面边缘抵抗矩，A为

基础底面积）。

根据上述规范引用可知，为了保证建筑的结构整体稳定性，规范按两种情况控制：

（1）在竖向永久荷载作用下，控制基础平面形心和结构竖向永久荷载重心的偏心率，使两者尽量重合。

（2）在地震水平荷载作用时，控制基础零应力区占基础底面面积的比值。

为了保证结构整体稳定性，基础设计必须重视按规范要求控制相关指标。

1 工程设计

具体工程设计时，在基础设计阶段通过调整基础面积、基础位置来控制基底平面形心结构竖向永久荷载重心的偏心率满足规范要求。其作用主要是使建、构筑物在使用过程中沉降均匀，不产生影响使用的倾斜。

基础零应力区的控制在结构整体计算结果中会有提示，但该数值因为没有考虑基础本身高度和荷载，在设计中仅能作为参考。在基础设计结果中有专门的基础零应力区校验才是符合实际的验算结果。

高烈度设防地区，因为水平地震作用大，在高宽比较大的建筑物结构设计中尤其应该注意基础零应力区的控制。

2 工程概况

某厂房位于云南省昆明市小街镇，该地区抗震设防烈度为9度，设计基本地震加速度0.4g，设计地震分组为第三组，建筑场地类别为Ⅲ类，多遇地震影响系数最大值αmax根据要求按照《中国地震动参数区划图》GB 18306-2015取值为0.3944。

厂房为二层，一层层高5.70m，二层层高6.00m，厂房外包轮廓尺寸为17.35m*8.40m，采用剪力墙结构，抗震等级为二级。根据地质勘察报告，取②层粉质黏土为基地持力层，该土层力学强度较高，fak取值为170kPa。基底相对标高为-1.700，基础高度暂定为800mm，则底层计算层高取为6.60m。设计采用盈建科建筑结构计算软件。

一层剪力墙平面布置如图1。

3 整体计算结果

经过计算，结构整体计算指标中周期比、有效质量系数、层间位移角、层间位移比和剪重比等数据均满足规范要求，详见表1。构件计算配筋值也未出现超筋现象。

但在Y向地震作用下结构整体抗倾覆验算结果不满足规范对基础零应力区的要求，结果详见表2。

由表2可見，由于该建筑物平面呈矩形，Y向宽度不到X向长度的50%，在地震力较大时，虽然Y向高宽比仅为1.5就出现了基础零应力区为61.56%的情况，而且抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值才1.35。

4 基础零应力区的控制

因为上部结构设计时为了符合底层竖向构件的实际计算长度，结构整体计算输入时底层层高是从基础面起算，所以软件计算倾覆力矩时的力臂少了基础高度，造成计算倾覆力矩比实际情况小。将底层结构高度增加基础高度后输入，得到结构整体抗倾覆验算结果见表3。

由表3可见，随着结构计算高度的增加，倾覆力矩增加数值大于抗倾覆力矩，使Y向抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值由1.35下降为1.24，基础零应力区扩大为71.05%。

以上抗倾覆计算是上部结构设计时软件给出的，抗倾覆力矩计算时的力臂以及基础零应力区计算时的外包尺寸都是上部建筑的轴线尺寸，并不能考虑实际基础外包尺寸，因此基础零应力区实际的情况是否满足规范要求，还要以基础计算时的结果为准。

为了增大抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值，首先要了解抗倾覆力矩与倾覆力矩计算方式。倾覆力矩由水平荷载引起，本项目在高烈度设防地区水平力以地震力为主，倾覆力矩为各楼层水平力乘以水平力作用点至基础底面的高度之和，可取软件计算输出值2.584E+004kN-m。抗倾覆力矩为上部荷载与上部荷载中心至基础边缘距离的乘积。上部荷载为8019.9kN，Y向作用点在建筑物中心。为了增加基础自重，同时结合一层有较多设备需要设置设备基础，考虑采用筏基，基础布置图如图2。

基础包括其上覆土共重5946.0kN，则抗倾覆力矩为：

（5946.0+8019.9）*4.55=6.354 E+004kN-m

Mr/Mov=2.46

可见考虑了基础实际宽度和基础自重的影响后，建筑物抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值有了大幅提高，由1.24提高为2.46，这也与结构的实际受力情况吻合。

将数据输入基础设计软件，得到非地震组合下的地基承载力验算结果，见图3；地震组合下的地基承载力验算结果，见图4；基础零应力区验算结果，见图5。

根据计算结果，该建筑物地基承载力满足规范要求，基础零应力区面积占整个基础底面积的9%，小于15%，满足相关规范对基础零应力区的要求，该建筑物的整体稳定性满足规范规定。

5 结束语

结构的整体稳定性验算在水平荷载较大的高烈度设防地区尤为重要，是保证建筑物在整个生命周期安全使用的重要一环。在结构设计师做设计时，应该了解规范控制指标的计算原理，不能盲目采用前期上部结构设计时的输出结果。在设计中通过增加基础宽度以提高抗倾覆力矩的力臂，用以增加建筑物的抗倾覆力矩，从而使倾覆力矩与倾覆力矩的比值增大，这样就能保证基础零应力区的比例满足规范要求。

参考文献：

[1]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].

[2]GB50191-2012.构筑抗震设计规范[S].

[3]JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[4]GB50007-2011.建筑地基基础设计规范[S].

[5]JGJ6-2011.高层建筑筏形与箱形基础技术规范[S].