基礎零應力區的控制

貝震宇

摘 要：在高烈度地區結構設計中遇到結構整體計算時輸出結果中基礎零應力區超過規范規定限值的情況。通過分析產生這種情況的原因，按實際情況進行計算復核，并調整設計使建筑物基礎零應力區控制指標滿足規范要求，保證結構整體穩定。

關鍵詞：高寬比；整體傾覆穩定性；基底壓力；基礎零應力區

中圖分類號：TU312 文獻標志碼：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

為了保證建筑的結構整體穩定性，在結構設計中須要對結構進行結構整體抗傾覆驗算。《建筑抗震設計規范》GB50011-2010（以下簡稱為《抗規》），《構筑抗震設計規范》GB50191-2012（以下簡稱為《構抗規》，《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010（以下簡稱為《高規》），《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011（以下簡稱為《地基規范》），《高層建筑筏形與箱形基礎技術規范》JGJ6-2011（以下簡稱為《箱基規范》），均對結構整體抗傾覆驗算有明確規定。

《抗規》中第4.2.4條規定：高寬比大于4的高層建筑，在地震作用下基礎底面不宜出現脫離區（零應力區）；其他建筑，基礎底面與地基土之間脫離區（零應力區）面積不應超過基礎底面面積的15%。

《高規》第12.1.7條規定：在重力荷載與水平荷載標準值或重力荷載代表值與多遇水平地震標準值共同作用下，高寬比大于4的高層建筑，基礎底面不宜出現零應力區；高寬比不大于4的高層建筑，基礎底面與地基之間零應力區面積不應超過基礎底面面積的15%。

《構抗規》第4.2.5條規定：驗算天然地基的抗震承載力時，基礎底面零應力區的面積大小應符合下列規定：

（1）體型規則的構筑物，零應力區的面積不應大于基礎底面面積的25%。

（2）體型不規則的構筑物，零應力區的面積不宜大于基礎底面面積的15%。

（3）高寬比大于4的高聳構筑物，零應力區面積應為零。

《箱基規范》5.3.3條中規定：在地震作用下，對于高寬比大于4 的高層建筑，基礎底面不宜出現零應力區；對于其他建筑，當基礎底面邊緣出現零應力時，零應力區的面積不應超過基礎底面面積的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底面不宜出現零應力區。

另外《高規》第12.1.6條，《地基規范》第8.4.2條，《箱基規范》第5.1.3條都規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構豎向永久荷載重心重合。當不能重合時，在作用的準永久組合下，其偏心距宜符合下列要求：e≤0.1W/A（W為基礎底面邊緣抵抗矩，A為

基礎底面積）。

根據上述規范引用可知，為了保證建筑的結構整體穩定性，規范按兩種情況控制：

（1）在豎向永久荷載作用下，控制基礎平面形心和結構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，控制基礎零應力區占基礎底面面積的比值。

為了保證結構整體穩定性，基礎設計必須重視按規范要求控制相關指標。

1 工程設計

具體工程設計時，在基礎設計階段通過調整基礎面積、基礎位置來控制基底平面形心結構豎向永久荷載重心的偏心率滿足規范要求。其作用主要是使建、構筑物在使用過程中沉降均勻，不產生影響使用的傾斜。

基礎零應力區的控制在結構整體計算結果中會有提示，但該數值因為沒有考慮基礎本身高度和荷載，在設計中僅能作為參考。在基礎設計結果中有專門的基礎零應力區校驗才是符合實際的驗算結果。

高烈度設防地區，因為水平地震作用大，在高寬比較大的建筑物結構設計中尤其應該注意基礎零應力區的控制。

2 工程概況

某廠房位于云南省昆明市小街鎮，該地區抗震設防烈度為9度，設計基本地震加速度0.4g，設計地震分組為第三組，建筑場地類別為Ⅲ類，多遇地震影響系數最大值αmax根據要求按照《中國地震動參數區劃圖》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，采用剪力墻結構，抗震等級為二級。根據地質勘察報告，取②層粉質黏土為基地持力層，該土層力學強度較高，fak取值為170kPa。基底相對標高為-1.700，基礎高度暫定為800mm，則底層計算層高取為6.60m。設計采用盈建科建筑結構計算軟件。

一層剪力墻平面布置如圖1。

3 整體計算結果

經過計算，結構整體計算指標中周期比、有效質量系數、層間位移角、層間位移比和剪重比等數據均滿足規范要求，詳見表1。構件計算配筋值也未出現超筋現象。

但在Y向地震作用下結構整體抗傾覆驗算結果不滿足規范對基礎零應力區的要求，結果詳見表2。

由表2可見，由于該建筑物平面呈矩形，Y向寬度不到X向長度的50%，在地震力較大時，雖然Y向高寬比僅為1.5就出現了基礎零應力區為61.56%的情況，而且抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值才1.35。

4 基礎零應力區的控制

因為上部結構設計時為了符合底層豎向構件的實際計算長度，結構整體計算輸入時底層層高是從基礎面起算，所以軟件計算傾覆力矩時的力臂少了基礎高度，造成計算傾覆力矩比實際情況小。將底層結構高度增加基礎高度后輸入，得到結構整體抗傾覆驗算結果見表3。

由表3可見，隨著結構計算高度的增加，傾覆力矩增加數值大于抗傾覆力矩，使Y向抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值由1.35下降為1.24，基礎零應力區擴大為71.05%。

以上抗傾覆計算是上部結構設計時軟件給出的，抗傾覆力矩計算時的力臂以及基礎零應力區計算時的外包尺寸都是上部建筑的軸線尺寸，并不能考慮實際基礎外包尺寸，因此基礎零應力區實際的情況是否滿足規范要求，還要以基礎計算時的結果為準。

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算方式。傾覆力矩由水平荷載引起，本項目在高烈度設防地區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至基礎底面的高度之和，可取軟件計算輸出值2.584E+004kN-m。抗傾覆力矩為上部荷載與上部荷載中心至基礎邊緣距離的乘積。上部荷載為8019.9kN，Y向作用點在建筑物中心。為了增加基礎自重，同時結合一層有較多設備需要設置設備基礎，考慮采用筏基，基礎布置圖如圖2。

基礎包括其上覆土共重5946.0kN，則抗傾覆力矩為：

（5946.0+8019.9）*4.55=6.354 E+004kN-m

Mr/Mov=2.46

可見考慮了基礎實際寬度和基礎自重的影響后，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，這也與結構的實際受力情況吻合。

將數據輸入基礎設計軟件，得到非地震組合下的地基承載力驗算結果，見圖3；地震組合下的地基承載力驗算結果，見圖4；基礎零應力區驗算結果，見圖5。

根據計算結果，該建筑物地基承載力滿足規范要求，基礎零應力區面積占整個基礎底面積的9%，小于15%，滿足相關規范對基礎零應力區的要求，該建筑物的整體穩定性滿足規范規定。

5 結束語

結構的整體穩定性驗算在水平荷載較大的高烈度設防地區尤為重要，是保證建筑物在整個生命周期安全使用的重要一環。在結構設計師做設計時，應該了解規范控制指標的計算原理，不能盲目采用前期上部結構設計時的輸出結果。在設計中通過增加基礎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，這樣就能保證基礎零應力區的比例滿足規范要求。

參考文獻：

[1]GB50011-2010.建筑抗震設計規范[S].

[2]GB50191-2012.構筑抗震設計規范[S].

[3]JGJ3-2010.高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[4]GB50007-2011.建筑地基基礎設計規范[S].

[5]JGJ6-2011.高層建筑筏形與箱形基礎技術規范[S].