72.高层建筑结构的整体倾覆怎样验算?
当高层、超高层建筑高宽比比较大,水平风荷载或地震作用较大,地基刚度较弱时,结构整体倾覆验算十分重要,直接关系到整个结构安全度的控制。
《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)第4.2.4条规定,在地震作用效应标准组合下,对高宽比大于4的高层建筑,基础底面不出现拉应力(零应力区面积为零);其他建筑,基础底面与地基土之间,零应力区面积不大于基础底面积的15%。
《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)第12.1.7条规定,在重力荷载与水平荷载标准值或重力荷载代表值与多遇水平地震标准值共同作用下,高宽比大于4的高层建筑,基础底面不宜出现零应力区,对高宽比不大于4.0的高层建筑,基础底面零应力区面积不应超过基础底面积的15%。
(1)倾覆力矩和抗倾覆力矩的计算
假定倾覆力矩计算作用面为基础底面,倾覆力矩计算的作用力为水平地震作用或水平风荷载标准值,则倾覆力矩可近似表示为
式中 Mov——倾覆力矩标准值;
H——建筑物地面以上高度,即房屋高度;
C——地下室深度;
V0——总水平力标准值。
抗倾覆力矩计算点假定为基础外边缘点,抗倾覆力矩计算作用力为重力荷载代表值,则抗倾覆力矩可表示为
式中 MR——抗倾覆力矩标准值;
G——上部及地下室基础总重力荷载代表值;
B——基础地下室底面宽度(图4-8)。
(2)整体抗倾覆的控制——基础底面零应力区控制
假定总重力荷载合力中心与基础底面形心重合,基础底面反力呈线性分布(图4-9),水平地震或风荷载与竖向荷载共同作用下基底反力的合力点到基础中心的距离为e0,零应力区长度为B-X,零应力区所占基底面积比例为(B-X)/B,则
图4-8 结构整体抗倾覆计算示意图
图4-9 基础底板反力示意图
由此得到
根据式(4-48)或式(4-49),可得基础底面零应力区比例与抗倾覆安全度的近似关系,如表4-13所示。
以上计算的假定是基础及地基均具有足够刚度,基底反力呈线性分布;重力荷载合力中心与基底形心重合(一般要求偏心距不大于B/60)。如为基岩,地基有足够刚度,要求可适当放松;如为中软土地基,要求还应适当从严。
表4-13 基础底面零应力区与结构整体倾覆
地震时,地基稳定状态受到影响,故抗震设计时,尤其抗震设防烈度为8度及以上地区,要求还宜适当从严;抗风设计时,可计及地下室周边被动土压力作用,但要求仍应满足规程规定,不宜放松。
当扩大地下室基础的刚度有限时,抗倾覆力矩计算的基础底面宽度宜适当减小,或可取塔楼基础的外包宽度计算,以保证安全。