基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)的控制

貝震宇

摘 要：在高烈度地區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)輸出結(jié)果中基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)超過規(guī)范規(guī)定限值的情況。通過分析產(chǎn)生這種情況的原因，按實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，并調(diào)整設(shè)計(jì)使建筑物基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)控制指標(biāo)滿足規(guī)范要求，保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：高寬比；整體傾覆穩(wěn)定性；基底壓力；基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)

中圖分類號：TU312 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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

為了保證建筑的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中須要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010（以下簡稱為《抗規(guī)》），《構(gòu)筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50191-2012（以下簡稱為《構(gòu)抗規(guī)》，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010（以下簡稱為《高規(guī)》），《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011（以下簡稱為《地基規(guī)范》），《高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》JGJ6-2011（以下簡稱為《箱基規(guī)范》），均對結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算有明確規(guī)定。

《抗規(guī)》中第4.2.4條規(guī)定：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)底面與地基土之間脫離區(qū)（零應(yīng)力區(qū)）面積不應(yīng)超過基礎(chǔ)底面面積的15%。

《高規(guī)》第12.1.7條規(guī)定：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)超過基礎(chǔ)底面面積的15%。

《構(gòu)抗規(guī)》第4.2.5條規(guī)定：驗(yàn)算天然地基的抗震承載力時(shí)，基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)的面積大小應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1）體型規(guī)則的構(gòu)筑物，零應(yīng)力區(qū)的面積不應(yīng)大于基礎(chǔ)底面面積的25%。

（2）體型不規(guī)則的構(gòu)筑物，零應(yīng)力區(qū)的面積不宜大于基礎(chǔ)底面面積的15%。

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

《箱基規(guī)范》5.3.3條中規(guī)定：在地震作用下，對于高寬比大于4 的高層建筑，基礎(chǔ)底面不宜出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)；對于其他建筑，當(dāng)基礎(chǔ)底面邊緣出現(xiàn)零應(yīng)力時(shí)，零應(yīng)力區(qū)的面積不應(yīng)超過基礎(chǔ)底面面積的15%；與裙房相連且采用天然地基的高層建筑，在地震作用下主樓基礎(chǔ)底面不宜出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)。

另外《高規(guī)》第12.1.6條，《地基規(guī)范》第8.4.2條，《箱基規(guī)范》第5.1.3條都規(guī)定高層建筑筏基偏心距e的限值，概括如下：位于均勻地基及無相鄰建筑荷載影響條件下的單棟建筑，基底平面形心宜與結(jié)構(gòu)豎向永久荷載重心重合。當(dāng)不能重合時(shí)，在作用的準(zhǔn)永久組合下，其偏心距宜符合下列要求：e≤0.1W/A（W為基礎(chǔ)底面邊緣抵抗矩，A為

基礎(chǔ)底面積）。

根據(jù)上述規(guī)范引用可知，為了保證建筑的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，規(guī)范按兩種情況控制：

（1）在豎向永久荷載作用下，控制基礎(chǔ)平面形心和結(jié)構(gòu)豎向永久荷載重心的偏心率，使兩者盡量重合。

（2）在地震水平荷載作用時(shí)，控制基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)占基礎(chǔ)底面面積的比值。

為了保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)必須重視按規(guī)范要求控制相關(guān)指標(biāo)。

1 工程設(shè)計(jì)

具體工程設(shè)計(jì)時(shí)，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段通過調(diào)整基礎(chǔ)面積、基礎(chǔ)位置來控制基底平面形心結(jié)構(gòu)豎向永久荷載重心的偏心率滿足規(guī)范要求。其作用主要是使建、構(gòu)筑物在使用過程中沉降均勻，不產(chǎn)生影響使用的傾斜。

基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)的控制在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果中會(huì)有提示，但該數(shù)值因?yàn)闆]有考慮基礎(chǔ)本身高度和荷載，在設(shè)計(jì)中僅能作為參考。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)結(jié)果中有專門的基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)校驗(yàn)才是符合實(shí)際的驗(yàn)算結(jié)果。

高烈度設(shè)防地區(qū)，因?yàn)樗降卣鹱饔么螅诟邔挶容^大的建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中尤其應(yīng)該注意基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)的控制。

2 工程概況

某廠房位于云南省昆明市小街鎮(zhèn)，該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為9度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.4g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，建筑場地類別為Ⅲ類，多遇地震影響系數(shù)最大值αmax根據(jù)要求按照《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB 18306-2015取值為0.3944。

廠房為二層，一層層高5.70m，二層層高6.00m，廠房外包輪廓尺寸為17.35m*8.40m，采用剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震等級為二級。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，?、趯臃圪|(zhì)黏土為基地持力層，該土層力學(xué)強(qiáng)度較高，fak取值為170kPa。基底相對標(biāo)高為-1.700，基礎(chǔ)高度暫定為800mm，則底層計(jì)算層高取為6.60m。設(shè)計(jì)采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件。

一層剪力墻平面布置如圖1。

3 整體計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)中周期比、有效質(zhì)量系數(shù)、層間位移角、層間位移比和剪重比等數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求，詳見表1。構(gòu)件計(jì)算配筋值也未出現(xiàn)超筋現(xiàn)象。

但在Y向地震作用下結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果不滿足規(guī)范對基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)的要求，結(jié)果詳見表2。

由表2可見，由于該建筑物平面呈矩形，Y向?qū)挾炔坏絏向長度的50%，在地震力較大時(shí)，雖然Y向高寬比僅為1.5就出現(xiàn)了基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)為61.56%的情況，而且抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值才1.35。

4 基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)的控制

因?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)為了符合底層豎向構(gòu)件的實(shí)際計(jì)算長度，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算輸入時(shí)底層層高是從基礎(chǔ)面起算，所以軟件計(jì)算傾覆力矩時(shí)的力臂少了基礎(chǔ)高度，造成計(jì)算傾覆力矩比實(shí)際情況小。將底層結(jié)構(gòu)高度增加基礎(chǔ)高度后輸入，得到結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果見表3。

由表3可見，隨著結(jié)構(gòu)計(jì)算高度的增加，傾覆力矩增加數(shù)值大于抗傾覆力矩，使Y向抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值由1.35下降為1.24，基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大為71.05%。

以上抗傾覆計(jì)算是上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)軟件給出的，抗傾覆力矩計(jì)算時(shí)的力臂以及基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)計(jì)算時(shí)的外包尺寸都是上部建筑的軸線尺寸，并不能考慮實(shí)際基礎(chǔ)外包尺寸，因此基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)實(shí)際的情況是否滿足規(guī)范要求，還要以基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)的結(jié)果為準(zhǔn)。

為了增大抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值，首先要了解抗傾覆力矩與傾覆力矩計(jì)算方式。傾覆力矩由水平荷載引起，本項(xiàng)目在高烈度設(shè)防地區(qū)水平力以地震力為主，傾覆力矩為各樓層水平力乘以水平力作用點(diǎn)至基礎(chǔ)底面的高度之和，可取軟件計(jì)算輸出值2.584E+004kN-m。抗傾覆力矩為上部荷載與上部荷載中心至基礎(chǔ)邊緣距離的乘積。上部荷載為8019.9kN，Y向作用點(diǎn)在建筑物中心。為了增加基礎(chǔ)自重，同時(shí)結(jié)合一層有較多設(shè)備需要設(shè)置設(shè)備基礎(chǔ)，考慮采用筏基，基礎(chǔ)布置圖如圖2。

基礎(chǔ)包括其上覆土共重5946.0kN，則抗傾覆力矩為：

（5946.0+8019.9）*4.55=6.354 E+004kN-m

Mr/Mov=2.46

可見考慮了基礎(chǔ)實(shí)際寬度和基礎(chǔ)自重的影響后，建筑物抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值有了大幅提高，由1.24提高為2.46，這也與結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況吻合。

將數(shù)據(jù)輸入基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件，得到非地震組合下的地基承載力驗(yàn)算結(jié)果，見圖3；地震組合下的地基承載力驗(yàn)算結(jié)果，見圖4；基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)驗(yàn)算結(jié)果，見圖5。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該建筑物地基承載力滿足規(guī)范要求，基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)面積占整個(gè)基礎(chǔ)底面積的9%，小于15%，滿足相關(guān)規(guī)范對基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)的要求，該建筑物的整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范規(guī)定。

5 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算在水平荷載較大的高烈度設(shè)防地區(qū)尤為重要，是保證建筑物在整個(gè)生命周期安全使用的重要一環(huán)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師做設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該了解規(guī)范控制指標(biāo)的計(jì)算原理，不能盲目采用前期上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的輸出結(jié)果。在設(shè)計(jì)中通過增加基礎(chǔ)寬度以提高抗傾覆力矩的力臂，用以增加建筑物的抗傾覆力矩，從而使傾覆力矩與傾覆力矩的比值增大，這樣就能保證基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)的比例滿足規(guī)范要求。

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