卢伟煌

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

1 高层建筑抗倾覆的定义

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)[1]，高层建筑抗倾覆的定义：在重力荷载与风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，对高宽比大于4的高层建筑，基础底面不应出现零应力区；对高宽比不大于4的高层建筑，基础底面零应力不应超过基础底面面积的15%；不管高层建筑有没有埋置深度，都应满足上述这一条件。

根据高层建筑抗倾覆的定义，又给出了一般情况下高层建筑埋置深度的要求：天然地基或复合地基，高层建筑埋置深度应不小于房屋高度的1/15；桩基础(不计桩长)，高层建筑埋置深度应不小于房屋高度的1/18。

需要特别指出的是，高层建筑埋置深度满足1/15(1/18)的房屋高度，“一般情况下”能满足高层建筑抗倾覆的要求，但也有可能不能满足高层建筑抗倾覆的要求，因为高层建筑是否存在倾覆问题，实际上归结为以下因素：高层建筑的高宽比、高层建筑所受水平力的大小、高层建筑的埋置深度和其所在的地质情况。

高层建筑抗倾覆，为什么要考虑大震工况？《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[2]基本的抗震设防目标是：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理可继续使用；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可能发生损坏，但经一般性修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏；即“小震不坏，中震可修，大震不倒”的原则。上部结构按此原则设计，高层建筑抗倾覆也应按“大震不倒”的原则来设计。

高层建筑抗倾覆需要解决两个问题：(1)高层建筑抗倾覆问题；(2)高层建筑抗滑移问题。高层建筑抗滑移，主要通过桩基的水平承载力、地下室底板与地基土的摩阻力和地下室侧壁上土的被动土压力来平衡。本文主要讨论高层建筑抗倾覆问题。

2 验算抗倾覆时零应力区的计算

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)[1]，在重力荷载与风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，对高宽比大于4的高层建筑，基础底面不应出现零应力区；对高宽比不大于4的高层建筑，基础底面零应力不应超过基础底面面积的15%；不管高层建筑有没有埋置深度，都应满足上述这一条件。

图1为结构整体倾覆计算示意图，图2为计算高层建筑基础底板零应力区的计算简图，其中：G为整栋楼重力荷载，V0为水平荷载合力(水平荷载为风荷载、小震下水平地震作用、大震下水平地震作用)。

Rp为地下室被动土压力的合力，Ra为地下室主动土压力的合力，B-z为零应力区。

倾覆力矩：M=V0(2H/3+C)+RaE；

抗倾覆力矩：MR=GB/2+RpD；

由于D=1/3C，E=1/3C与 相比，小得较多(C较大的情况除外)，再加上倾覆力矩、抗倾覆力矩分别有RaE、RpD项，因此：

倾覆力矩：M=V0(2H/3+C)+RaE≈V0(2H/3+C)；

抗倾覆力矩：MR=B/2+RpD≈GB/2；

图1 结构整体倾覆计算示意图 图2 基础底板反力示意图

根据公式计算得出的零应力区大小，如表1所示。

表1 基础底面零应力区与结构整体倾覆安全度的关系

如果以上高层建筑抗倾覆验算，零应力区不能满足规范要求的，则应在零应力区布置锚杆或桩基来承担拉力。按照上述计算得出的土反力，不应超过土的地基承载力。

在整体分析计算中，可以验算高层建筑的抗倾覆，给出了零应力区的大小；但应特别注意，不应把纯地下室或群房部分计算在内，否则其计算出的零应力区是假象，如图3～图4所示。

图3 仅有主楼部分 图4主楼带有纯地下室或群房

图3中结构宽度B取值正确，计算的零应力区范围是对的，因为计算出的所有基底反力，主楼筏板可以承担；

但图4中结构宽度B取值不正确，计算的零应力区范围是错误的，是假象，因为计算出的“超出主楼部分”的基底反力，纯地下室或群房不能承担。

这里特别强调，用上部结构整体分析软件计算高层建筑抗倾覆安全度时，不应把主楼以外的裙房，纯地下室也建进结构整体分析模型中，如果这样做的话，相当于加大主楼的宽度B，这种模型算出来的抗倾覆安全度失真，最主要的原因“超出主楼部分”的基底反力，纯地下室或群房不能承担。

3 高层建筑采用桩基时抗倾覆验算

高层建筑采用桩基的工程，也应进行抗倾覆验算，其抗倾覆的计算简图如图5所示。

图5 高层建筑采用桩基时，其抗倾覆的计算简图

在抗倾覆的计算简图中，可计算出桩的反力，Ra为边桩的压力，Rb为边桩的拉力。边桩的压力Ra、边桩的拉力Rb均应满足桩基抗压、抗拉承载力要求。

4 高层建筑抗倾覆讨论

4.1 高层建筑抗倾覆问题

(1)高层建筑抗倾覆的定义，即《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)所规定的要求：在重力荷载与风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，对高宽比大于4的高层建筑，基础底面不应出现零应力区；对高宽比不大于4的高层建筑，基础底面零应力不应超过基础底面面积的15%。

(2)需要特别指出的是，高层建筑埋置深度满足1/15(1/18)的房屋高度，也有可能不能满足高层建筑抗倾覆要求。

(3)在抗倾覆验算时，宽度B的取值只能取主楼的宽度，不能取主楼的宽度+裙房的宽度或主楼的宽度+出主楼以外的地下室宽度。因为裙房的宽度或者出主楼以外的地下室宽度不能承受底板的反力。

(4)高层建筑抗倾覆验算，其水平力应考虑风荷载、小震下的地震作用和大震下的地震作用。

在风荷载(多遇地震)作用下，单桩的压力不应超过单桩竖向抗压承载力的特征值1.2(1.5)倍，单桩(锚杆)的拉力不应超过单桩(锚杆)竖向抗拔承载力特征值的1.0倍。 罕遇地震作用下，单桩的压力不应超过单桩竖向抗压承载力的极限值0.9倍，单桩(锚杆)拉力不应超过单桩(锚杆)竖向抗拔承载力的极限值0.9倍。

4.2 影响高层建筑的抗倾覆因素

(1)高层建筑的抗倾覆与水平力的大小有关，同样的高层建筑，放在6度区，其抗倾覆能满足要求；但放在7度区，其抗倾覆就不一定能满足要求，因为水平地震作用成倍增加。

(2)高层建筑的抗倾覆与高层建筑的高宽比有关，高层建筑的高宽比越大，高层建筑的抗倾覆越难满足。正如一根筷子插在稀饭上，会倾覆；一把筷子插在稀饭上，不会倾覆(与高宽比有关)。

(3)高层建筑的抗倾覆与地基土有关，打个比方：一根筷子插在稀饭上，会倾覆；一根筷子插在干饭上，不会倾覆(与地基土有关)。

(4)高层建筑的抗倾覆与埋置深度有关，打个比方：一根电线杆，埋入土中1m，可能会倒，但埋入土中3m就不会倒。因此，高层建筑埋置深度越深，其抗倾覆的安全度就越高。

5 结论

高层建筑抗倾覆问题，应根据抗倾覆原理进行验算和设计，不能仅仅根据埋置深度大小(如1/15或1/18的房屋高度)来判别高层建筑是否符合抗倾覆的要求，应根据高层建筑的高宽比、高层建筑所受水平力的大小、高层建筑的埋置深度和其所在的地质情况来验算高层建筑是否符合抗倾覆的要求。

对于高层建筑抗倾覆问题应回归到抗倾覆的原理上，即由零应力区大小控制，当片筏基础无法满足高层建筑抗倾覆要求时，就应在高层建筑周边设置锚杆或桩基，锚杆或桩基的拉力来平衡高层建筑的倾覆力矩。

根据“小震不坏，中震可修，大震不倒”的原则。高层建筑的抗倾覆应考虑罕遇地震的影响，其土的抗力、桩基或锚杆的抗力可用极限抗力的0.9倍。

高层建筑抗倾覆验算，其水平力应考虑风荷载、小震下的地震作用和大震下的地震作用。