對(duì)基礎(chǔ)基底零應(yīng)力區(qū)面積的幾點(diǎn)思考

朱 海 軍

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001)

對(duì)基礎(chǔ)基底零應(yīng)力區(qū)面積的幾點(diǎn)思考

朱 海 軍

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001)

總結(jié)了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)面積的規(guī)范規(guī)定，分析闡述了現(xiàn)行規(guī)范對(duì)于基底零應(yīng)力區(qū)面積規(guī)定的不合理之處，提出了基底零應(yīng)力面積限值應(yīng)該依據(jù)是否考慮地震作用而區(qū)別對(duì)待，執(zhí)行不同的規(guī)范條文，建議實(shí)際設(shè)計(jì)工作中對(duì)基底零應(yīng)力面積限值可適當(dāng)放寬。

基礎(chǔ)，地基，基底壓力，基底零應(yīng)力面積

1 問(wèn)題提出

在建筑結(jié)構(gòu)中，上部荷載通過(guò)基礎(chǔ)傳給地基土， 一般情況下基礎(chǔ)傳給地基土的應(yīng)力為壓應(yīng)力；但在某些情況下，如基礎(chǔ)承受偏心荷載較大或者承受拉力時(shí)，基礎(chǔ)與地基土之間可能產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于地基土本身不能承受拉應(yīng)力，使得基礎(chǔ)與地基土之間會(huì)脫開(kāi)而不存在應(yīng)力，工程上通常將此脫開(kāi)部分的應(yīng)力稱(chēng)之為零應(yīng)力，如圖1所示。基礎(chǔ)底面下零應(yīng)力區(qū)的面積不能過(guò)大，只允許基底在適當(dāng)范圍內(nèi)存在零應(yīng)力，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)基底零應(yīng)力區(qū)面積有嚴(yán)格規(guī)定。

2 規(guī)范相關(guān)規(guī)定引述

目前，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，基底下零應(yīng)力區(qū)面積的具體規(guī)定主要在以下四本國(guó)家規(guī)范中，現(xiàn)分別摘錄其中的相關(guān)條文如下：

GB 50011—2011建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中第4.2.4條：高寬比大于4的高層建筑，在地震作用下基礎(chǔ)底面不宜出現(xiàn)脫離區(qū)(零應(yīng)力區(qū))；其他建筑，基礎(chǔ)地面與地基土之間脫離區(qū)(零應(yīng)力區(qū))面積不應(yīng)超過(guò)基礎(chǔ)底面面積的15%。

GB 50191—2012構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中第4.2.5條：形體規(guī)則的構(gòu)筑物，零應(yīng)力區(qū)的面積不應(yīng)大于基礎(chǔ)底面積的25%；形體不規(guī)則的構(gòu)筑物，零應(yīng)力區(qū)的面積不應(yīng)大于基礎(chǔ)底面積的15%；高

寬比大于4的高聳構(gòu)筑物，零應(yīng)力區(qū)的面積應(yīng)為零。

JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中第12.1.7條：在重力荷載與水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值或重力荷載代表值與多遇水平地震標(biāo)準(zhǔn)值共同作用下，高寬比大于4的高層建筑，基礎(chǔ)底面不宜出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)；高寬比不大于4的高層建筑，基礎(chǔ)底面與地基之間零應(yīng)力區(qū)面積不應(yīng)超過(guò)基礎(chǔ)底面面積的15%。質(zhì)量偏心較大的裙樓與主樓可分別計(jì)算基底應(yīng)力。

GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中的8.4.2：筏形基礎(chǔ)在準(zhǔn)永久組合下，偏心距e宜符合e≤0.1W/A,其中,W為與偏心距方向一致的基礎(chǔ)底面邊緣抵抗矩；A為基底面積。

為方便敘述，本文將以上四本規(guī)范分別簡(jiǎn)稱(chēng)為《抗規(guī)》《構(gòu)抗規(guī)》《高規(guī)》及《地規(guī)》。

3 對(duì)規(guī)范相關(guān)規(guī)定的理解與思考

3.1 相關(guān)規(guī)范規(guī)定的適用范圍

1)上述四本規(guī)范的規(guī)定大同小異，但不完全相同，其中關(guān)鍵的數(shù)字指標(biāo)為高寬比大于4和基底零應(yīng)力面積之比小于15%，其中《高規(guī)》的規(guī)定最詳細(xì)，既適用于抗震設(shè)防(或考慮地震作用組合)的建筑物(構(gòu)筑物)，又適用于非抗震設(shè)防(或不考慮地震作用組合)的建筑物(構(gòu)筑物)。因?yàn)椤犊挂?guī)》和《構(gòu)抗規(guī)》是專(zhuān)門(mén)的針對(duì)地震作用下的規(guī)范，故《抗規(guī)》4.2.4條的規(guī)定從文字上看是《高規(guī)》12.1.7條的一部分，而《構(gòu)抗規(guī)》4.2.5條則是在《抗規(guī)》4.2.4條基礎(chǔ)上的指標(biāo)細(xì)化?！兜匾?guī)》對(duì)整體式筏形基礎(chǔ)單獨(dú)規(guī)定了偏心距限值要求，并且限值嚴(yán)格，能保證基底不出現(xiàn)零應(yīng)力，也可以看作是此類(lèi)基礎(chǔ)在非抗震設(shè)防(或不考慮地震作用)條件下的基底零應(yīng)力面積規(guī)定。

2)可以看出，對(duì)于基底零應(yīng)力面積的規(guī)定，除了《地規(guī)》外，其余三本規(guī)范的規(guī)定基本是一致的。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，關(guān)鍵是要看基礎(chǔ)與地基的應(yīng)力計(jì)算是否計(jì)入地震作用，然后再依據(jù)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的形式選用合適的規(guī)范。當(dāng)基底應(yīng)力計(jì)算不計(jì)入地震作用時(shí)，僅執(zhí)行《高規(guī)》或《地規(guī)》即可，此時(shí)不限制基底零應(yīng)力面積；但為了提高安全度，可以參考執(zhí)行《抗規(guī)》。當(dāng)基底應(yīng)力計(jì)算計(jì)入地震作用時(shí)，應(yīng)依據(jù)建筑物的體形、結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)形式分別執(zhí)行上述四本規(guī)范中相應(yīng)的條文。

3.2 非抗震設(shè)防條件下(或不考慮地震作用組合)的情況

1)目前只有《高規(guī)》中規(guī)定了高寬比大于4的高層建筑的基底零應(yīng)力面積的規(guī)定，而且采用重力荷載和水平荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合。對(duì)于高寬比小于4的高層建筑沒(méi)有規(guī)定，現(xiàn)行其他規(guī)范對(duì)低層和多層房屋的基底零應(yīng)力面積也沒(méi)有規(guī)定，這就使得低層、多層及高寬比小于4的高層房屋的基底零應(yīng)力面積在設(shè)計(jì)中無(wú)執(zhí)行依據(jù)，這樣的基礎(chǔ)到底要不要限制基底零應(yīng)力的面積，假如要限制，多少限值為合理，類(lèi)似的問(wèn)題經(jīng)常存在，給設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)困難。

2)對(duì)于一般的低層、多層及高寬比小于4的高層房屋結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以不考慮基底零應(yīng)力面積的規(guī)定，只要執(zhí)行《地規(guī)》5.2.1條的規(guī)定即可：

即在偏心荷載作用下，只需同時(shí)滿足pk≤fa，pkmax≤1.2fa，其中,pk為基底平均壓力；pkmax為基底邊緣最大壓力；fa為修正后的地基承載力特征值。

因?yàn)樵诓豢紤]地震作用組合時(shí)，基礎(chǔ)與地基之間的作用力屬于靜力作用，基底應(yīng)力假設(shè)按線性分布，屬于簡(jiǎn)單的作用力與反作用力問(wèn)題。只要基底應(yīng)力滿足地基的承載力要求，地基變形滿足規(guī)定要求，就能保證地基不破壞，即地基能滿足要求，就應(yīng)該允許基底出現(xiàn)零應(yīng)力，沒(méi)有理由規(guī)定基底零應(yīng)力面積的大小限制。因此，低層、多層及高寬比小于4的高層房屋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可以不考慮基底零應(yīng)力面積的要求，不存在控制基底零應(yīng)力面積限值一說(shuō)，本質(zhì)上就是單純的地基承載力和變形問(wèn)題。

3)當(dāng)某些高層建筑符合《高規(guī)》12.1.7條中規(guī)定的條件時(shí)，要限制基底零應(yīng)力面積不超過(guò)15%，因?yàn)榇祟?lèi)高層建筑一般都比較重要，即使不考慮地震作用，其基底應(yīng)力也會(huì)很大，而且常設(shè)有地下室，地基破壞會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果，因此要控制基底零應(yīng)力的范圍。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，只有符合《高規(guī)》12.1.7條的高層建筑才執(zhí)行此項(xiàng)規(guī)定，其余不符合條件的建筑可以不執(zhí)行此條規(guī)定，但可以作為參考。

4)當(dāng)某些高層建筑采用筏基、箱基等整體式基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)符合《地規(guī)》8.4.2條的規(guī)定，即e≤0.1W/A。對(duì)于矩形基礎(chǔ)，假設(shè)基礎(chǔ)寬為B，則e≤0.1W/A=B/60?？梢钥闯?，此值遠(yuǎn)小于矩形基礎(chǔ)產(chǎn)生拉應(yīng)力的臨界偏心距e=B/6，僅為其1/10，也即基底永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，不必控制基底零應(yīng)力面積。

5)對(duì)于高層建筑，單純的用結(jié)構(gòu)的高寬比H/B=4來(lái)劃分，并不合理。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，僅適用于結(jié)構(gòu)上部寬度B和基礎(chǔ)寬度相等的情況，當(dāng)基礎(chǔ)相對(duì)于上部結(jié)構(gòu)外挑較多時(shí)，基礎(chǔ)寬度遠(yuǎn)大于B，采用H/B來(lái)劃分基底零應(yīng)力面積是不恰當(dāng)?shù)?，?yīng)該用基礎(chǔ)的實(shí)際寬度。而且高寬比在4附近跳躍性太大，高寬比大于4時(shí)，零應(yīng)力面積為零，高寬比不大于4時(shí)，零應(yīng)力面積之比為15%，中間沒(méi)有過(guò)渡，使得基底零應(yīng)力面積限值變化幅度劇烈，不合理。建議高寬比H/B在0～4之間時(shí)，基底零應(yīng)力面積的限值規(guī)定在0%～15%之間線性插值使用。

3.3 抗震設(shè)防條件下(或考慮地震作用組合)的情況

1)在考慮地震作用下，基礎(chǔ)與地基的應(yīng)力計(jì)算屬于動(dòng)力計(jì)算的范疇，目前采用近似的“擬靜力法”并不能真正準(zhǔn)確的計(jì)算地震下的基底應(yīng)力。由于高寬比大于4的高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)一般都比較重要，在地震作用下基底應(yīng)力分布復(fù)雜，且此類(lèi)結(jié)構(gòu)隨著高度的增加而穩(wěn)定性降低，故《抗規(guī)》《高規(guī)》及《構(gòu)抗規(guī)》對(duì)這類(lèi)結(jié)構(gòu)規(guī)定要嚴(yán)，均規(guī)定基底不出現(xiàn)零應(yīng)力，即基底始終為壓力。

2)對(duì)于高寬比小于4的高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)，《抗規(guī)》《高規(guī)》規(guī)定允許基底出現(xiàn)拉應(yīng)力，但控制基底零應(yīng)力面積與基礎(chǔ)面積之比不超過(guò)15%；《構(gòu)抗規(guī)》也允許基底出現(xiàn)拉應(yīng)力并適當(dāng)放松限值，對(duì)于形體規(guī)則的構(gòu)筑物其基底零應(yīng)力面積與基礎(chǔ)面積之比不超過(guò)25%，而對(duì)于形體不規(guī)則的構(gòu)筑物其基底零應(yīng)力面積與基礎(chǔ)面積之比則不得超過(guò)15%。

3)對(duì)于一般的低層、多層及高寬比小于4的建筑物(構(gòu)筑物)，在執(zhí)行《抗規(guī)》4.2.4條和《構(gòu)抗規(guī)》4.2.5條的時(shí)候，應(yīng)按結(jié)構(gòu)的重要性和基礎(chǔ)的形式合理的確定基底零應(yīng)力面積限值，一律要求不大于15%是不恰當(dāng)?shù)?，?dāng)有可靠依據(jù)且保證建筑物(構(gòu)筑物)穩(wěn)定的情況下，可將這一限值放松至30%，甚至50%。在偏心荷載作用下，基底壓力只需同時(shí)滿足《抗規(guī)》中(4.2.4-1，2)式 規(guī)定即可；即p≤faE；pmax≤1.2faE，其中,p為考慮地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合的基底平均壓力；pmax為考慮地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合的基底邊緣最大壓力;faE為調(diào)整后的地基抗震承載力。此時(shí)，基底壓力只要滿足上述兩式就能保證地基在地震作用下不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度破壞，允許基底出現(xiàn)拉應(yīng)力。在滿足地基變形和穩(wěn)定的前提下，只要基底壓應(yīng)力不超過(guò)地基承載力，就可以保證地基的安全，此時(shí)應(yīng)不再要求基底零應(yīng)力面積之比，或者適當(dāng)放松規(guī)范中基底零應(yīng)力面積的限值。

4)在考慮地震作用下，基底零應(yīng)力面積之比的限制與建筑的高寬比H/B有關(guān)，這是不合理的，僅僅適用于建筑上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)寬度相同的特殊情況，理由與上述3.2中3)相同。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] GB 50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] GB 50191—2012，構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 朱炳寅.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用與分析[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

On consideration for zero stress coverage of foundation

Zhu Haijun

(TaiyuanDesignResearchInstituteforCoalIndustry,Taiyuan030001,China)

The paper sums up the regulation for the foundation zero stress coverage in architectural structure design, illustrates some unreasonable parts for the regulation in current rules, and points out the foundation zero stress coverage limited value should refer to the differential treatment by considering the seismic role, and suggests the limited value for the zero stress coverage should be widened by implementing different regulations.

foundation, basement, foundation pressure, basement zero stress coverage

2014-10-23

朱海軍(1981- )，男，工程師

1009-6825(2015)04-0041-02

TU311

A