盧偉煌

(福建省建筑設(shè)計(jì)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(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)[1]，高層建筑抗傾覆的定義：在重力荷載與風(fēng)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，對高寬比大于4的高層建筑，基礎(chǔ)底面不應(yīng)出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)；對高寬比不大于4的高層建筑，基礎(chǔ)底面零應(yīng)力不應(yīng)超過基礎(chǔ)底面面積的15%；不管高層建筑有沒有埋置深度，都應(yīng)滿足上述這一條件。

根據(jù)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(fù)合地基，高層建筑埋置深度應(yīng)不小于房屋高度的1/15；樁基礎(chǔ)(不計(jì)樁長)，高層建筑埋置深度應(yīng)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?yàn)楦邔咏ㄖ欠翊嬖趦A覆問題，實(shí)際上歸結(jié)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(zhì)情況。

高層建筑抗傾覆，為什么要考慮大震工況？《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)[2]基本的抗震設(shè)防目標(biāo)是：當(dāng)遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時，主體結(jié)構(gòu)不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的設(shè)防地震影響時，可能發(fā)生損壞，但經(jīng)一般性修理仍可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的罕遇地震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞；即“小震不壞，中震可修，大震不倒”的原則。上部結(jié)構(gòu)按此原則設(shè)計(jì)，高層建筑抗傾覆也應(yīng)按“大震不倒”的原則來設(shè)計(jì)。

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(cè)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(yàn)算抗傾覆時零應(yīng)力區(qū)的計(jì)算

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)[1]，在重力荷載與風(fēng)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，對高寬比大于4的高層建筑，基礎(chǔ)底面不應(yīng)出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)；對高寬比不大于4的高層建筑，基礎(chǔ)底面零應(yīng)力不應(yīng)超過基礎(chǔ)底面面積的15%；不管高層建筑有沒有埋置深度，都應(yīng)滿足上述這一條件。

圖1為結(jié)構(gòu)整體傾覆計(jì)算示意圖，圖2為計(jì)算高層建筑基礎(chǔ)底板零應(yīng)力區(qū)的計(jì)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(fēng)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(yīng)力區(qū)。

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(xiàng)，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(jié)構(gòu)整體傾覆計(jì)算示意圖 圖2 基礎(chǔ)底板反力示意圖

根據(jù)公式計(jì)算得出的零應(yīng)力區(qū)大小，如表1所示。

表1 基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)與結(jié)構(gòu)整體傾覆安全度的關(guān)系

如果以上高層建筑抗傾覆驗(yàn)算，零應(yīng)力區(qū)不能滿足規(guī)范要求的，則應(yīng)在零應(yīng)力區(qū)布置錨桿或樁基來承擔(dān)拉力。按照上述計(jì)算得出的土反力，不應(yīng)超過土的地基承載力。

在整體分析計(jì)算中，可以驗(yàn)算高層建筑的抗傾覆，給出了零應(yīng)力區(qū)的大?。坏珣?yīng)特別注意，不應(yīng)把純地下室或群房部分計(jì)算在內(nèi)，否則其計(jì)算出的零應(yīng)力區(qū)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(jié)構(gòu)寬度B取值正確，計(jì)算的零應(yīng)力區(qū)范圍是對的，因?yàn)橛?jì)算出的所有基底反力，主樓筏板可以承擔(dān)；

但圖4中結(jié)構(gòu)寬度B取值不正確，計(jì)算的零應(yīng)力區(qū)范圍是錯誤的，是假象，因?yàn)橛?jì)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(dān)。

這里特別強(qiáng)調(diào)，用上部結(jié)構(gòu)整體分析軟件計(jì)算高層建筑抗傾覆安全度時，不應(yīng)把主樓以外的裙房，純地下室也建進(jìn)結(jié)構(gòu)整體分析模型中，如果這樣做的話，相當(dāng)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(dān)。

3 高層建筑采用樁基時抗傾覆驗(yàn)算

高層建筑采用樁基的工程，也應(yīng)進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，其抗傾覆的計(jì)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(jì)算簡圖

在抗傾覆的計(jì)算簡圖中，可計(jì)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(yīng)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(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)所規(guī)定的要求：在重力荷載與風(fēng)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，對高寬比大于4的高層建筑，基礎(chǔ)底面不應(yīng)出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)；對高寬比不大于4的高層建筑，基礎(chǔ)底面零應(yīng)力不應(yīng)超過基礎(chǔ)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(yàn)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?yàn)槿狗康膶挾然蛘叱鲋鳂且酝獾牡叵率覍挾炔荒艹惺艿装宓姆戳Α?/p>

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

在風(fēng)荷載(多遇地震)作用下，單樁的壓力不應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(guān)，同樣的高層建筑，放在6度區(qū)，其抗傾覆能滿足要求；但放在7度區(qū)，其抗傾覆就不一定能滿足要求，因?yàn)樗降卣鹱饔贸杀对黾印?/p>

(2)高層建筑的抗傾覆與高層建筑的高寬比有關(guān)，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(guān))。

(3)高層建筑的抗傾覆與地基土有關(guān)，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(guān))。

(4)高層建筑的抗傾覆與埋置深度有關(guān)，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(jié)論

高層建筑抗傾覆問題，應(yīng)根據(jù)抗傾覆原理進(jìn)行驗(yàn)算和設(shè)計(jì)，不能僅僅根據(jù)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(yīng)根據(jù)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(zhì)情況來驗(yàn)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(yīng)回歸到抗傾覆的原理上，即由零應(yīng)力區(qū)大小控制，當(dāng)片筏基礎(chǔ)無法滿足高層建筑抗傾覆要求時，就應(yīng)在高層建筑周邊設(shè)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(jù)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的原則。高層建筑的抗傾覆應(yīng)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(yàn)算，其水平力應(yīng)考慮風(fēng)荷載、小震下的地震作用和大震下的地震作用。