地震高烈度区高层建筑的基础抗倾覆设计探讨

地震高烈度区高层建筑的基础抗倾覆设计探讨
摘要：本文以国内常用结构计算软件PKPM05版建模计算，结合两个工程实例，对地震高烈度区的高层建筑的抗倾覆设计进行了初步的探讨。

关键词：高层建筑基础抗倾覆
一、概述
《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中第4.2.4条规定：高宽比大于4的高层建筑，在地震作用下基础底面不宜出现脱离区(零应力区)；其他建筑，基础底面与地基土之间脱离区(零应力区)面积不应超过基础底面面积的15％。

一般来说，基础底面出现零应力区或零应力区超过基础底面面积的15％的工程实例并不多见，6度及7度区基本无此现象的出现，因此关于规范对此的要求往往不够引起设计者的重视。

下边结合两个工程实例来说明当高宽比过大的高层建筑基础出现零应力区时的处理办法，以对高层建筑的基础抗倾覆设计进行初步的探讨。

二、工程实例：
工程一：某高层住宅楼，17N剪力墙结构，高54.5m，宽11.3m，高宽比4.8，地震烈度：8度(0.3g)。

一层平面图如下图所示：
由计算结果可知，过大的地震力和过大的高宽比是导致建筑物基础抗倾覆计算不满足规范要求的原因，52.10％的零应力区远大于规范要求的15％。

我们对建筑做如下调整：将地下室沿Y方向各外扩3米，再进行计算后与原计算结果进行对比：
我们从计算结果对比看到，外阔了地下室，减小了高宽比，对建筑物的抗倾覆力矩有着显著的提高，从而保证基底零应力区不大于规范所规定的15％的限值。

但不是每一个工程都可以将地下室外阔以减少建筑物的高宽比的，下边结合另外一个工程的计算来探讨基础抗倾覆的问题。

工程二：某高层住宅，17层剪力墙结构，高51.5m，宽11.6m-15.85m不等，大部分宽度为11.6m，高宽比4.7，地震烈度：8度(0.3g)。

地下室平面图如下图所示：
初次计算时按建筑门窗洞口尺寸开洞计算，计算结果如下表所示：
零应力区面积大于规范规定的15％限值，查剪重比亦可知。

由于结构整体刚度较大以至地震力比较大，下边从减少结构整体刚度以减小地震力的方式来控制基础零应力区的面积，做法主要有：减少横墙的数量或开设结构洞，减小墙长。

经细部调整，计算结果如下表所示：
对比发现，通过削弱结构Y方向的刚度，使得Y方向的地震力及倾覆弯矩明显下降，而使结构基础的零应力区面积大大减少。

三、小结：
1、高烈度地震区(8度及以上)的高层建筑物，设计人员应注意检查建筑物基础是否出现零应力区，其面积是否超过规范的规定，零应力区面积应严格控制；
2、8度不适宜设计板式高层，建筑物的高宽比应尽量控制以避免基础倾覆问题的出现，建筑方案确定时，宜采取塔楼的设计方案，建筑的高宽比不宜大于4；
3、基础零应力区的出现且面积较大时，可以采取外扩地下室或底部一～两层的方式减少建筑物的高宽比，减少建筑物的高宽比是提高建筑物的抗倾覆能力最为有效及简便的方法；
4、当无法外扩建筑物底部时，通过削弱建筑物的横向刚度(减少剪力墙或开设结构洞)以减少地震力带来的倾覆力矩也是很有效的方法，这种方式比较烦琐，削弱结构刚度的同时应保证结构的位移、周期等满足规范的要求，需要设计人员耐心的去做细部调整并不断尝试；
5、加大筏板基础外挑宽度亦可减少或消除基础的零应力区。