高層建筑抗傾覆的問題

盧偉煌

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

1 高層建筑抗傾覆的定義

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)[1]，高層建筑抗傾覆的定義：在重力荷載與風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，對高寬比大于4的高層建筑，基礎底面不應出現零應力區；對高寬比不大于4的高層建筑，基礎底面零應力不應超過基礎底面面積的15%；不管高層建筑有沒有埋置深度，都應滿足上述這一條件。

根據高層建筑抗傾覆的定義，又給出了一般情況下高層建筑埋置深度的要求：天然地基或復合地基，高層建筑埋置深度應不小于房屋高度的1/15；樁基礎(不計樁長)，高層建筑埋置深度應不小于房屋高度的1/18。

需要特別指出的是，高層建筑埋置深度滿足1/15(1/18)的房屋高度，“一般情況下”能滿足高層建筑抗傾覆的要求，但也有可能不能滿足高層建筑抗傾覆的要求，因為高層建筑是否存在傾覆問題，實際上歸結為以下因素：高層建筑的高寬比、高層建筑所受水平力的大小、高層建筑的埋置深度和其所在的地質情況。

高層建筑抗傾覆，為什么要考慮大震工況？《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)[2]基本的抗震設防目標是：當遭受低于本地區抗震設防烈度的多遇地震影響時，主體結構不受損壞或不需修理可繼續使用；當遭受相當于本地區抗震設防烈度的設防地震影響時，可能發生損壞，但經一般性修理仍可繼續使用；當遭受高于本地區抗震設防烈度的罕遇地震影響時，不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞；即“小震不壞，中震可修，大震不倒”的原則。上部結構按此原則設計，高層建筑抗傾覆也應按“大震不倒”的原則來設計。

高層建筑抗傾覆需要解決兩個問題：(1)高層建筑抗傾覆問題；(2)高層建筑抗滑移問題。高層建筑抗滑移，主要通過樁基的水平承載力、地下室底板與地基土的摩阻力和地下室側壁上土的被動土壓力來平衡。本文主要討論高層建筑抗傾覆問題。

2 驗算抗傾覆時零應力區的計算

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)[1]，在重力荷載與風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，對高寬比大于4的高層建筑，基礎底面不應出現零應力區；對高寬比不大于4的高層建筑，基礎底面零應力不應超過基礎底面面積的15%；不管高層建筑有沒有埋置深度，都應滿足上述這一條件。

圖1為結構整體傾覆計算示意圖，圖2為計算高層建筑基礎底板零應力區的計算簡圖，其中：G為整棟樓重力荷載，V0為水平荷載合力(水平荷載為風荷載、小震下水平地震作用、大震下水平地震作用)。

Rp為地下室被動土壓力的合力，Ra為地下室主動土壓力的合力，B-z為零應力區。

傾覆力矩：M=V0(2H/3+C)+RaE；

抗傾覆力矩：MR=GB/2+RpD；

由于D=1/3C，E=1/3C與 相比，小得較多(C較大的情況除外)，再加上傾覆力矩、抗傾覆力矩分別有RaE、RpD項，因此：

傾覆力矩：M=V0(2H/3+C)+RaE≈V0(2H/3+C)；

抗傾覆力矩：MR=B/2+RpD≈GB/2；

圖1 結構整體傾覆計算示意圖 圖2 基礎底板反力示意圖

根據公式計算得出的零應力區大小，如表1所示。

表1 基礎底面零應力區與結構整體傾覆安全度的關系

如果以上高層建筑抗傾覆驗算，零應力區不能滿足規范要求的，則應在零應力區布置錨桿或樁基來承擔拉力。按照上述計算得出的土反力，不應超過土的地基承載力。

在整體分析計算中，可以驗算高層建筑的抗傾覆，給出了零應力區的大小；但應特別注意，不應把純地下室或群房部分計算在內，否則其計算出的零應力區是假象，如圖3～圖4所示。

圖3 僅有主樓部分 圖4主樓帶有純地下室或群房

圖3中結構寬度B取值正確，計算的零應力區范圍是對的，因為計算出的所有基底反力，主樓筏板可以承擔；

但圖4中結構寬度B取值不正確，計算的零應力區范圍是錯誤的，是假象，因為計算出的“超出主樓部分”的基底反力，純地下室或群房不能承擔。

這里特別強調，用上部結構整體分析軟件計算高層建筑抗傾覆安全度時，不應把主樓以外的裙房，純地下室也建進結構整體分析模型中，如果這樣做的話，相當于加大主樓的寬度B，這種模型算出來的抗傾覆安全度失真，最主要的原因“超出主樓部分”的基底反力，純地下室或群房不能承擔。

3 高層建筑采用樁基時抗傾覆驗算

高層建筑采用樁基的工程，也應進行抗傾覆驗算，其抗傾覆的計算簡圖如圖5所示。

圖5 高層建筑采用樁基時，其抗傾覆的計算簡圖

在抗傾覆的計算簡圖中，可計算出樁的反力，Ra為邊樁的壓力，Rb為邊樁的拉力。邊樁的壓力Ra、邊樁的拉力Rb均應滿足樁基抗壓、抗拉承載力要求。

4 高層建筑抗傾覆討論

4.1 高層建筑抗傾覆問題

(1)高層建筑抗傾覆的定義，即《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)所規定的要求：在重力荷載與風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，對高寬比大于4的高層建筑，基礎底面不應出現零應力區；對高寬比不大于4的高層建筑，基礎底面零應力不應超過基礎底面面積的15%。

(2)需要特別指出的是，高層建筑埋置深度滿足1/15(1/18)的房屋高度，也有可能不能滿足高層建筑抗傾覆要求。

(3)在抗傾覆驗算時，寬度B的取值只能取主樓的寬度，不能取主樓的寬度+裙房的寬度或主樓的寬度+出主樓以外的地下室寬度。因為裙房的寬度或者出主樓以外的地下室寬度不能承受底板的反力。

(4)高層建筑抗傾覆驗算，其水平力應考慮風荷載、小震下的地震作用和大震下的地震作用。

在風荷載(多遇地震)作用下，單樁的壓力不應超過單樁豎向抗壓承載力的特征值1.2(1.5)倍，單樁(錨桿)的拉力不應超過單樁(錨桿)豎向抗拔承載力特征值的1.0倍。 罕遇地震作用下，單樁的壓力不應超過單樁豎向抗壓承載力的極限值0.9倍，單樁(錨桿)拉力不應超過單樁(錨桿)豎向抗拔承載力的極限值0.9倍。

4.2 影響高層建筑的抗傾覆因素

(1)高層建筑的抗傾覆與水平力的大小有關，同樣的高層建筑，放在6度區，其抗傾覆能滿足要求；但放在7度區，其抗傾覆就不一定能滿足要求，因為水平地震作用成倍增加。

(2)高層建筑的抗傾覆與高層建筑的高寬比有關，高層建筑的高寬比越大，高層建筑的抗傾覆越難滿足。正如一根筷子插在稀飯上，會傾覆；一把筷子插在稀飯上，不會傾覆(與高寬比有關)。

(3)高層建筑的抗傾覆與地基土有關，打個比方：一根筷子插在稀飯上，會傾覆；一根筷子插在干飯上，不會傾覆(與地基土有關)。

(4)高層建筑的抗傾覆與埋置深度有關，打個比方：一根電線桿，埋入土中1m，可能會倒，但埋入土中3m就不會倒。因此，高層建筑埋置深度越深，其抗傾覆的安全度就越高。

5 結論

高層建筑抗傾覆問題，應根據抗傾覆原理進行驗算和設計，不能僅僅根據埋置深度大小(如1/15或1/18的房屋高度)來判別高層建筑是否符合抗傾覆的要求，應根據高層建筑的高寬比、高層建筑所受水平力的大小、高層建筑的埋置深度和其所在的地質情況來驗算高層建筑是否符合抗傾覆的要求。

對于高層建筑抗傾覆問題應回歸到抗傾覆的原理上，即由零應力區大小控制，當片筏基礎無法滿足高層建筑抗傾覆要求時，就應在高層建筑周邊設置錨桿或樁基，錨桿或樁基的拉力來平衡高層建筑的傾覆力矩。

根據“小震不壞，中震可修，大震不倒”的原則。高層建筑的抗傾覆應考慮罕遇地震的影響，其土的抗力、樁基或錨桿的抗力可用極限抗力的0.9倍。

高層建筑抗傾覆驗算，其水平力應考慮風荷載、小震下的地震作用和大震下的地震作用。