基于仿真模型的高层建筑岩石地基基础最小埋置深度限值分析.pdf

第 53 卷 第 16 期2023 年 8 月下建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.16Aug.2023DOI:10.19701/j.jzjg.20221559 第第一一作作者者:孟祥韬,硕士,高级工程师,主要从事结构设计工作,Email:615580 。基于仿真模型的高层建筑岩石地基基础最小埋置深度限值分析孟祥韬,陈瑞生,周科文,霍喆赟(浙江工业大学工程设计集团有限公司,杭州 310014)摘要:我国高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 32010)中规定,当建筑物采用岩石地基或采取有效措施时,在结构满足地基承载力、稳定性及底部零应力区要求的前提下,其埋置深度可适当放松。因此,为研究高层建筑岩石地基基础最小埋深限值对结构抗倾覆的影响,提出了一种全新的、基于周期模拟的仿真极限模型试验方法,按不同高度、抗震烈度及基本风压生成 378 个仿真极限模型后,得到 18 组工况下的结构底部零应力区面积比与结构抗倾覆安全系数,分析上述数据后可知,对于 6 度地震设防地区、基本风压小于(含)0.5kN/m2的高层建筑,若其基础无偏心且平面尺寸符合高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 32010)规定,则在基础满足规范承载力、变形、抗滑移要求的前提下,基础埋置深度需求有较大程度的减小。未来可以研究仿真模型的适规性验证、重力和质心偏心等方面对于结构倾覆的影响,进一步完善结构抗倾覆方面的理论依据。关键词:基础埋深;岩石地基;结构倾覆;仿真模型;智能设计 中图分类号:TU973+.35 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)16-0143-09引用本文 孟祥韬,陈瑞生,周科文,等.基于仿真模型的高层建筑岩石地基基础最小埋置深度限值分析J.建筑结构,2023,53(16):143-151.MENG Xiangtao,CHEN Ruisheng,ZHOU Kewen,et al.Analysis on minimum buried depth limit of high-rise building foundation in rock foundation area based on simulation modelJ.Building Structure,2023,53(16):143-151.Analysis on minimum buried depth limit of high-rise building foundation in rock foundation area based on simulation modelMENG Xiangtao,CHEN Ruisheng,ZHOU Kewen,HUO Zheyun(Zhejiang University of Technology Engineering Design Group Co.,Ltd.,Hangzhou 310014,China)Abstract:According to the Technical specification for concrete structures of tall building(JGJ 32010)in China,when a building adopts rock foundation or takes effective measures,the premise of the structure meeting the requirements of foundation bearing capacity,stability and zero-stress zone at the bottom under the circumstances,the buried depth of the building can be appropriately relaxed.Therefore,in order to study the influence of the minimum buried depth limit of the rock foundation of high-rise buildings on the anti-overturning ability of the structure,a entirely new simulation limit model test method based on period simulation was proposed.After generating 378 simulation limit models based on different heights,seismic intensities and basic wind pressures,the area ratio of the zero-stress area at the bottom of the structure and the anti-overturning safety factor of the structure under 18 sets of working conditions were obtained.After analyzing the data,it is concluded that for high-rise buildings with a basic wind pressure less than(inclusive)0.5 kN/m2 in a seismic fortification area of 6 degrees,if the foundation has no eccentricity and the plane size meets the requirements of the Technical specification for concrete structures of tall building(JGJ 32010),the need for foundation buried depth can be significantly reduced under the premise of satisfying the normative requirements for bearing capacity,deformation,and anti-slip.In the future,the suitability verification of the simulation model,the influence of gravity and the eccentricity of the center of mass on the structural overturning can be further studied,and the theoretical basis for the anti-overturning of the structure can be further improved.Keywords:foundation depth;rock foundation;structure overturning;simulation model;intelligent design 0引言 随着我国社会经济发展水平的不断提高,城市化进程不断加快,城市用地愈发紧张。一方面,建筑对上部空间的需求越来越大;另一方面,为了提高建筑采光和通风等舒适性品质,建筑进深控制愈发严格,高层建筑结构高宽比较大已经建 筑 结 构2023 年成为普遍现象。当高宽比接近高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 32010)1(简称高规)中经济性建议的最大高宽比时,对结构刚度、整体稳定、承载能力、经济合理性等的宏观控制趋近于失效。在计入其对经济性的影响后,仍应对结构的承载力、稳定、抗倾覆、变形和舒适性等基本要求进行控制。在设计上部结构时,一般可以通过调整结构的侧向刚度或阻尼来满足要求,但对于地下结构,高规和建筑地基基础设计规范(GB 500072011)2中特别提出宜设置地下室和天然地基基础埋置深度不宜小于房屋高度 1/15 的要求,以确保高层结构抗倾覆和抗滑移的有效性3。我国山脉绵延不绝,以山地、丘陵、崎岖高原为主的山区面积占据国土总面积的 2/3。近年来,随着城市平原地区开发强度临近极值,城市开发边界向城市周边山区扩展,新建坡地建筑占比大量增加。而坡地建筑的地基又普遍以中等风化的岩石为主要持力层,其岩石饱和单轴抗压强度基本超过15MPa,达到较软岩较硬岩的认定标准,需采用风镐和爆破法开挖,开挖工期长、成本高。部分位于山区的高层建筑无特别的地下室开发需求,具有地震烈度低、风荷载小的特点。2010 版高规修订时注意到上述问题,因此在规定基础最小埋深的同时,补充了高层建筑采用岩石地基或采取有效措施时,在基础的结构设计满足地基承载力、稳定性要求及基础底面零应力区要求的前提下,基础埋置深度可适当放松的规定。该条补充内容为岩石地基工程在平衡工期、成本方面提供另一种选择,有较强的实际意义。但高规第 12.1.8 条中对于采用岩石地基时基础埋深的限值“可适当放松”的表述上未明确界限范围,仅在验算方法上予以指导,设计人员在实际工作中仍需要根据不同项目的具体情况对基础的地基承载力、稳定性和基础底部零应力区验算,验算方法缺乏统一性,对于相同的结果也有不同的判断依据,缺乏公认的标准,很多工程验算需要专家咨询或论证后方能实施,易导致工作量增加和设计周期延长。在高层建筑中,控制结构防倾覆的安全度是结构设计最关键的任务之一。在高层建筑的承载力极限状态设计中,必须严格控制其倾覆,防止结构失稳倒塌。本文主要以覆盖大量样本数据的试算结果为依据,针对高度在 100m 以下的常规高层建筑,用矩阵实验室和数字化智能设计软件建立数值计算模型,并进行参数化分析,总结其规律,探讨在不同设防烈度、不同基本风压地区基础埋深的合理限值。1基本假定1.1 建筑体型假定 考虑到建筑平面的布置宜简单、规则且风荷载作用效应较小,因此从各种平面形状中,选取高宽比、长宽比最大的最不利矩形平面作为计算对象。(1)建筑高度采用实际工程中较为常见的高层建筑高度,即结构高度 H 在 24100m 之间,以平均15.2m 划分为一个高度区间,共 5 个区间。而根据常规工程经验,确定层高 h 在底部大开间的两层依次取 4.8、4m,三层及以上取 3.8m(办公建筑的下限层高)。综上所述,表 1 为对应结构层数的结构高度 H 就近取值。表 1 结构高度 H 取值结构层数61014182226H/m24.039.254.469.684.8100.0(2)根据高规中建议的最大高宽比,在计算地震作用时,矩形平面宽度 B 与结构高度 H 的关系如表 2 所示。在计算风荷载时,统一按抗震设防最不利情况考虑,即 B=H/6。表 2 结构平面宽度 B 与结构高度 H 的取值关系抗震设防烈度6 度7 度8 度9 度基本地震加速度/g0.050.10(0.15)0.20(0.30)0.40B/mH/6H/6H/5H/4(3)根据高规中建议的最大长宽比,取矩形平面长宽比为 6,即平面长度 L=B6。1.2 风荷载计算假定 (1)考虑到一般岩石地基建筑地理位置具有建筑物不密集的特性,为尽量包络内陆地区大部分场地的地形情况,地面粗糙度选取 B 类场地,即田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的乡镇,脉动风荷载的背景分量因子系数 k=0.670,a1=0.1874。(2)根据全国基本风压分布图和附表4,除浙江、福建、海南、香港、台湾的海岛及新疆阿拉山口等特殊地区外,我国各地区基本风压最小值为0.3kN/m2,而 1.4kN/m2可包络我国绝大部分内陆地区的基本风压值,因此设计如下基本风压数组0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4作为计算模型的可变参数。1.3 地震作用计算假定 高规中基础埋深可放松的前提条件之一是基础设计满足高规第 12.1.7 条的底部零应力区要求,即在重力荷载与水平荷载标准值或重力荷载代表441第 53 卷 第 16 期 孟祥韬,等.基于仿真模型的高层建筑岩石地基基础最小埋置深度限值分析值与多遇水平地震标准值共同作用时,高宽比大于4 的高层建筑,基础底面不出现零应力区。在按照多遇水平地震影响系数最大值数组0.04,0.08,0.12,0.16,0.24,0.32的同时,参考超限高层建筑工程提高性能设计目标的方法,计算罕遇水平地震影响系数最大值数组取值为 0.28,0.50,0.72,0.90,1.20,1.40,以确保建筑更好地在“两阶段”设计的基础上达到抗震设防“三水准”中“大震不倒”的要求。2计算方法2.1 水平荷载下倾覆力矩的计算方法 高层建筑基础底面倾覆力矩主要受水平地震作用和水平风荷载标准值影响,如采用倾覆力矩的简化算法5,结构倾覆力矩标准值 Mov计算公式为:Mov=V0(2H/3+C)(1)式中:V0为总水平力标准值,倾覆力矩的大小与风荷载或水平地震作用的大小成正比;C 为地下室埋深。2.2 风荷载的计算方法 (1)在计算脉动风荷载的背景分量因子时,结构第 1 阶振型系数 1(z)的取值本应通过结构动力学分析确定,但为了简化计算,建筑结构荷载规范(GB 500092012)4(简称荷载规范)提出两种计算方法,一种为查看附录 G.0.3 高层建筑的振型系数表取值,另一种为采用第 8.4.7 条的简化计算公式:1=tan4zH()0.7(2)式中 z 为高层建筑高度。实际试算过程中发现查表和公式计算出的1(z)差值较大,其值进而通过脉动风荷载的背景分量因子 Bz影响 z 高度处的风振系数 z。抽取 100m高度的模型进行计算,其相对误差值如表 3 所示,可知公式法的数值大于查表法的数值。虽然荷载规范中说明式(2)仅适用于以剪力墙工作为主的弯剪型高层建筑,但我国主流结构计算软件还是统一采用该弯剪型的近似公式计算,故本文在模拟时,采用式(2)进行计算。(2)在计算脉动风荷载的共振分量因子时,需先得到结构第 1 阶自振频率的数值,自振频率值可由基本自振周期的倒数求得。荷载规范附录 F 给出了基于层数 n 计算基本自振周期的经验公式:T1=(0.05 0.10)n(3)和基于结构高度 H 和宽度 B 的简化计算公式:T1=0.25+0.53 10-3H23B(4)美规 FEMA 4506第 5.2.2.1 条也给出了基本自振周期的计算公式:Ta=Crhnx(5)式中:hn为基础到结构屋面的高度,m;Cr和 x 为系数,可从 FEMA 4506表 5.2-2 中查得,对于钢筋混凝土结构,Cr=0.046 6,x=0.9。表 3 查表法和公式法求得的 1(z)值及其对 z的影响楼层结构第 1 阶振型系数 1(z)z 高度处的风阵系数 z公式法查表法误差/%公式法查表法误差/%60.30 0.12 156.51.22 1.20 1.970.33 0.15 121.11.24 1.20 3.180.37 0.19 96.61.25 1.20 4.390.40 0.22 78.11.26 1.20 5.4100.43 0.26 64.91.28 1.20 6.5110.46 0.30 53.41.29 1.20 7.6120.50 0.34 44.31.30 1.21 7.7130.53 0.38 38.01.32 1.23 7.1140.56 0.41 37.11.33 1.24 7.2150.60 0.44 36.31.34 1.25 7.3160.63 0.49 27.51.35 1.28 6.0170.66 0.58 14.91.37 1.32 3.6180.70 0.66 5.61.38 1.36 1.5190.73 0.69 5.61.39 1.37 1.5200.77 0.72 6.71.40 1.38 1.8210.80 0.75 7.01.42 1.39 2.0220.84 0.80 5.61.43 1.41 1.6230.88 0.84 4.41.44 1.43 1.3240.92 0.89 2.81.46 1.45 0.9250.96 0.95 1.31.47 1.47 0.4261.00 1.00 0.01.48 1.48 0.0 注:误差=(公式法结果-查表法结果)/查表法结果100%。笔者随机抽取已竣工的十余项高层建筑的基本自振周期的计算结果进行对比,发现式(5)的结果与计算机求解结构刚度矩阵K的结果较为接近,故本文在顺风向风阵系数 z和水平地震影响系数 的计算中,基本自振周期均采用式(5)进行计算。(3)2022 年 1 月 1 日正式施行的工程结构通用规范(GB 550012021)7中,增加了风振系数z不小于 1.2 的下限值规定,如表 3 所示,本文一并考虑了计算。(4)在传统人工计算的过程中,在每层标高处承受的风荷载标准值等于上下各半层的风荷载的积分值,屋面层承受顶部半层及 1.1m 高度的女儿墙的风荷载(图 1(a)。现国产主流结构计算软件大多以风荷载标准值乘以本层层高范围内的迎风面面积进行简化计算(图 1(b),表 4 列出了基本风压 1.1kN/m2条件下 100m 高层建筑采用两种风541建 筑 结 构2023 年 图 1 风荷载迎风面积计算方法表 4 不同计算方法下高层建筑不同楼层风荷载差异楼层人工计算方法/kN简化计算方法/kN误差/%1617.761 235.52100.021 003.861 029.602.632540 724.9340 724.930.0261 917.622 428.9926.7合计44 264.1745 419.042.6 注:误差=(简化计算方法结果-人工计算方法结果)/人工计算方法结果100%。荷载计算方法所得楼层风荷载数值及两者误差,可知软件简化计算方法所得数值在底部及顶部楼层、层高变化处略大于人工计算方法,偏安全,在本文计算中也一同采用。2.3 地震作用的计算方法 (1)高规中地震作用的计算方法主要有振型分解反应谱法、底部剪力法和弹性时程分析法三种,其中底部剪力法具有较为简单、计算量小及易于人工编程或手算的优点,但其本质仍为一种将地震作用简化为惯性力的静力计算方法,无法反映出结构的动力响应,对于房屋高度较高、不以剪切变形为主的结构来说计算结果失真度较大。高规中规定,高度不超过 40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的高层建筑结构,可采用底部剪力法。综上所述,本文最终采用振型分解反应谱法的计算结果。(2)为确保结构刚度符合实际情况,同时让振型分解反应谱法和底部剪力法的计算结果具有可比性,需建立符合实际的平面布局模型,本文将梁、柱、墙的截面尺寸以及轴距作为参数,以式(5)计算所得基本自振周期为目标,利用程序对参数进行反复迭代,使得最终的仿真模型结构周期数值与式(5)计算所得数值几乎一致,如表 5 所示。以此得到的仿真模型群为振型分解反应谱法的基本模型群。2.4 抗倾覆力矩的计算方法 抗倾覆力矩计算时采用简化的抗倾覆力矩 MR计算公式5:MR=GB/2(6)式中:G 为结构总重力荷载代表值;为尽可能获得最不利的结果,忽略地下室(基础)侧向土压力的有利影响。2.5 模型分类及数量 为减少计算量,本文采用风荷载与地震作用仿真模型复用的方式,即当高宽比均为 6 时,风荷载选用 12 组风压对应 6 组多遇地震下的抗震设防烈度以及 6 组罕遇地震下的抗震设防地震烈度,在此基础上附 6 组当高宽比在 45 之间,抗震设防烈度在8 度9 度之间的 6 组仿真模型,上述每组模型各包含 21 个层数模型,共计得到 378 个模型,分类如表6 所示。表 5 仿真模型与式(5)自振周期对比层数结构高度/m式(5)周期/s仿真模型周期/s误差/%624.00.8140.7419.85727.80.9290.955-2.69831.61.0431.043-0.05935.41.1551.156-0.121039.21.2661.2590.551143.01.3761.383-0.511246.81.4851.500-1.031350.61.5931.616-1.451454.41.7001.6850.861558.21.8061.8030.211662.01.9121.8990.671765.82.0172.0090.391869.62.1222.1210.041973.42.2262.1831.972077.22.3292.2991.302181.02.4322.4190.542284.82.5352.559-0.952388.62.6372.689-1.952492.42.7382.7370.062596.22.8402.8240.5526100.02.9402.9350.16 注:误差=(式(5)周期结果-仿真模型周期结果)/仿真模型周期结果100%。表 6 模型分类及对应数量风压/(kN/m2)地震影响高宽比抗震设防烈度模型数量0.30.40.50.60.70.80.911.11.21.31.4多遇地震罕遇地震66 度(0.05g)217 度(0.10g)217 度(0.15g)218 度(0.20g)218 度(0.30g)219 度(0.40g)216 度(0.05g)217 度(0.10g)217 度(0.15g)218 度(0.20g)218 度(0.30g)219 度(0.40g)21多遇地震罕遇地震54548 度(0.20g)218 度(0.30g)219 度(0.40g)218 度(0.20g)218 度(0.30g)219 度(0.40g)21合计378641第 53 卷 第 16 期 孟祥韬,等.基于仿真模型的高层建筑岩石地基基础最小埋置深度限值分析3计算结果及分析3.1 基于结构底部零应力区的整体倾覆限制标准 我国规范体系中对于结构抗倾覆的控制性条文一般可参考如下内容:(1)高规第 12.1.7 条中规定,当高宽比大于 4时不应出现零应力区,当高宽比不大于 4 时,零应力区面积不应超过 15%8。(2)全 国 民 用 建 筑 工 程 设 计 技 术 措 施(2009):结构(地基基础)第 4.5.3 条中规定,建(构)筑物抗倾覆安全系数 Ko1.69。(3)建筑地基基础设计规范(GB 500072011)第 6.7.5 条中规定,挡土墙抗倾覆安全系数Kt1.69。(4)高层建筑筏形与箱形基础技术规范(JGJ 62011)第 5.5.2 条中规定,高层建筑抗倾覆安全系数 Kr1.59。(5)铁 路 路 基 支 挡 结 构 设 计 规 范(TB 100252019)第 3.2.3 条中规定,挡土墙在地震工况下的抗倾覆安全系数 Ko1.3。(6)水工挡土墙设计规范(SL 3792007)第 3.2.13 条中规定,不同级别挡土墙的抗倾覆安全系数 Ko1.31.5。假定竖向力合力中心与基础底面形心重合,倾覆力矩为 MOV,抗倾覆力矩为 MR,令 K=MR/MOV代表抗倾覆安全系数。由二者原理可推导出结构底部零应力区面积比 Ar与 K 之间的对应关系式为Ar=(3-K)/2K,各条文限值对应关系如表 7 所示。表 7 结构底部零应力区面积比与抗倾覆安全系数关系安全系数 K零应力区面积比 Ar/%参考规范3.00.02.315.0高规1.643.8全国民用建筑工程设计技术措施(2009):结构(地基基础)建筑地基基础设计规范(GB 500072011)1.550.0高层建筑筏形与箱形基础技术规范(JGJ 62011)1.365.4铁路路基支挡结构设计规范(TB 100252019)1.0100.0临界值本文在考虑风荷载或多遇地震作用下的结构倾覆时,采用高规中规定的 K=3.0,Ar=0.0%作为判断抗倾覆安全的标准。为了在我国抗震设防“两阶段”的基础上对“三水准”中“大震不倒”的控制标准进行进一步探究10,以保证达到抗震设防“大震不倒”和“大风不倒”的目的,在考虑 100 年重现期风压的风荷载或罕遇地震作用下的结构倾覆时,采用全国民用建筑工程设计技术措施(2009):结构(地基基础)中规定的 K=1.6,Ar=43.8%作为判断抗倾覆安全的标准。3.2 风荷载作用下底部零应力区结果 当高宽比为 6 时,不同风荷载作用下,不同层数的结构底部零应力区面积比计算结果如表 8 所示。表 8 风荷载作用下结构底部零应力区面积比/%层数风压/(kN/m2)0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 69.029.550.271.292.3100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.071.319.137.155.273.591.9100.0100.0100.0100.0100.0100.080.011.227.143.259.475.792.1100.0100.0100.0100.0100.090.05.119.433.848.463.077.892.6100.0100.0100.0100.0100.00.113.226.339.552.866.279.793.2100.0100.0100.0110.00.08.120.132.244.556.769.181.593.9100.0100.0120.00.03.814.926.237.548.860.271.783.294.7100.0130.00.00.110.521.031.542.152.763.474.184.895.6140.00.00.06.716.526.336.246.256.266.276.286.3150.00.00.03.412.621.831.140.549.959.368.778.2160.00.00.00.49.117.926.735.544.353.262.171.1170.00.00.00.06.014.322.731.039.447.856.364.8180.00.00.00.03.311.219.127.035.043.051.059.1190.00.00.00.00.88.315.923.431.038.746.354.0200.00.00.00.00.05.813.020.227.434.742.049.4210.00.00.00.00.03.410.317.224.231.238.145.2220.00.00.00.00.01.37.914.521.227.934.641.3230.00.00.00.00.00.05.712.118.524.931.337.8240.00.00.00.00.00.03.69.815.922.128.334.6250.00.00.00.00.00.01.77.713.619.625.631.6260.00.00.00.00.00.00.05.711.517.223.028.8741建 筑 结 构2023 年 在风荷载作用下,筛选 K3.0,Ar=0.0%与 K1.6,Ar3.0,Ar=0.0%K1.6,Ar3.0,Ar=0.0%与 K1.6,Ar3.0,Ar=0.0%K1.6,Ar43.8%抗震设防烈度层数结构高度 H/m结构宽度 B/m层数结构高度 H/m结构宽度 B/m6 度(0.05g)1454.49.1 7 度(0.10g)7 度(0.15g)831.65.3 8 度(0.20g)1454.49.1 8 度(0.30g)9 度(0.40g)图 3 常遇地震作用下基础零应力区面积比图 4 罕遇地震作用下基础零应力区面积比4.2 自然条件 基本风压 0.45kN/m2(50 年重现期),场地粗糙图 5 结构平面示意图度 B 类,基本雪压 0.45kN/m2(50 年重现期),抗震设防烈度 6 度,设计基本地震加速度值 0.05g,设计地震分组第一组,场地类别1类。4.3 建筑分类等级 建筑结构安全等级二级,地基基础设计等级乙级,抗震设防类别标准设防类;主体结构选型及抗震等级:现浇钢筋混凝土框架结构,框架抗震等级为三级,全部构件均为现浇。4.4 地质情况 钱塘江台褶带的余杭嘉兴台陷(天目山山脉)东北端山脚,除表面平整时少量杂填土外,地表均为中风化花岗斑岩或中风化砂岩裸露,地基设计参数详见表 12,典型地质剖面见图 6。图 6 典型地质剖面图表 12 地基设计参数表地层名称地基承载力特征值 fak/kPa钻孔灌注桩桩侧阻力特征值 qsa/kPa桩端阻力特征值 qpa/kPa抗拔系数 杂填土8090中风化花岗斑岩1 5001104 5000.80中风化砂岩1 000903 6000.80 4.5 岩层特征 3层中风化花岗斑岩:灰紫色、紫红色,灰白色,斑状结构、块状构造,岩质较硬,岩芯多呈柱状或碎块状,柱长以 1030cm 为主,节理裂隙发育,属硬质岩,岩体基本质量等级级,钻探进尺速度 4050min/m。物理力学性质良好,层厚未揭穿。3层中风化砂岩:青灰色,灰白色,砂质结构,941建 筑 结 构2023 年层状构造,岩芯呈柱状、短柱状为主,少量碎块状,锤击声脆。岩石主要由石英、长石等矿物组成,节理裂隙一般发育,裂隙面局部石英富集。岩体基本质量等级整体为类,无临空面、洞穴等。属较软岩较硬岩,钻探进尺速度 5065min/m。物理力学性质良好,层厚未揭穿。4.6 工程难点 本项目为厂区配套用房,地下空间刚性需求少。规划条件建筑限高 50m,为结合场地周边道路与内部地势关系,建筑专业已将 35#楼0.000 抬高至黄海高程 14.100m,与持力层平均标高基本持平。天然基础理论埋置深度 49.9m/153.4m,加上基础垫层厚度,需开挖 3.5m。如仅考虑天然地基基础抗剪要求,基础所需抗剪厚度仅为 1.52.0m,详见表 13,即基础埋深仅为结构高度的 1/331/25,无法满足规范要求。如强行按规范要求开挖,基坑开挖深度达 3.5m,成本高、工期长,且基槽需回填,压实难度大。现有条件分析如图 7 所示。表 13 天然地基基础抗剪厚度柱类型N/kNMx/(kN m)My/(kN m)Vx/kNVy/kN抗剪厚度/mm中柱13 448610333062 000边柱9 30117237960 1 500 注:N 为柱底轴力;Mx、My为柱底 X、Y 向弯矩,Vx、Vy为柱底 X、Y 向剪力。图 7 现有条件分析4.7 承载力验算结果 持力层为3中风化花岗斑岩结合3中风化砂岩,地 基 承 载 力 特 征 值 fak分 别 为 1 500、1 000kPa,在标准组合工况下,轴心荷载作用下所有基础底面的平均压力值 pk800kPa,同样地,偏心荷载作用下所有基础底面边缘处的最大压力值pk,max1.3,边柱 KS=(7 512+420)0.4/182=17.4 1.3,中主楼 KS=(279 765+22 391)0.4/2 254=531.3,两翼主楼KS=(207 645+13 047)0.4/1 562=561.3。罕遇地震下,中主楼 KS=(279 765+22 391)0.4/41 938=2.881.3,两翼主楼 KS=(207 645+13 047)0.4/29 994=2.941.3。均满足规范要求。4.10 稳定验算(抗倾覆)多遇地震作用下,结构抗倾覆安全度见表 14,罕遇地震作用下,结构抗倾覆安全度见表 15。表 14 多遇地震作用下结构抗倾覆验算结构单元工况抗倾覆力矩 MR/(kN m)倾覆力矩Mov/(kN m)MR/Mov零应力区面积比/%中主楼地震作用风荷载X 向1.011070.83105121.220.00Y 向0.371070.8310544.170.00X 向1.041074.92105212.170.00Y 向0.381071.1610532.920.00两翼主楼地震作用风荷载X 向5.321060.6210585.520.00Y 向2.751060.6210544.220.00X 向5.501064.82105114.130.00Y 向2.841068.4610533.600.00表 15 罕遇地震作用下结构抗倾覆验算结构单元工况抗倾覆力矩 MR/(kN m)倾覆力矩Mov/(kN m)MR/Mov零应力区面积比/%中主楼X 向1.011075.8410517.320.00Y 向0.371075.841056.310.00两翼主楼X 向5.321064.3510512.220.00Y 向2.751064.351056.320.004.11 采取措施 (1)保证地基基础最小埋深,主楼中柱埋深为2.0m,主楼边柱为 1.5m,裙房柱最小埋深为 0.6m。(2)提高水平力传递效果,天然地基基础之间采用粗砂填实。(3)加强基础整体性,在一层楼面设置 200mm厚基础板。(4)在主楼角部、四周柱下布置抗拔锚杆。4.12 小结 本基础方案通过了技术咨询会的专家论证,专家认为所采取的结构技术措施合理、可行。后051第 53 卷 第 16 期 孟祥韬,等.基于仿真模型的高层建筑岩石地基基础最小埋置深度限值分析续施工阶段可为甲方节省造价千余万元,并可缩减工期数月。5结论与展望 本文综合考虑了极限的仿真模型试算结果,对于 6 度地震设防地区、基本风压小于(含)0.5kN/m2的高层建筑,若其基础无偏心且平面尺寸符合高规规定,则在基础满足规范承载力、变形、抗滑移要求的前提下,基础埋置深度需求有较大程度的减小。由于篇幅有限,本文在以下方面有待改进:(1)仿真模型中标准层高的假定均基于办公建筑较住宅抗倾覆更不利的判断以及当前建筑层高的集约化趋势,其假定能否包络大部分建筑需在实践中加以验证。(2)仿真模型群仅基于刚度(周期匹配),其位移计算结果是否均满足规范要求有待于进一步验证。(3)依据高规第 5.1.8 条文说明,本文在计算地震力时,结构等效平均重力荷载锁定在 14kN/m2,该值的变化将引起地震力的变化,进而影响结构倾覆安全度,而目前大部分高层建筑单位面积重力在1216kN/m2之间变化,下一步,可针对重力变化对于结构倾覆的影响进行深入研究。(4)实际工程中在进行基础结构设计时,结构质心偏心问题不可避免,因此可进一步试验,在规范允许范围内探究质心偏心和结构倾覆的关系。参考文献 1 高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 32010S.北京:中国建筑工业出版社,2011.2 建筑地基基础设计规范:GB 500072011S.北京:中国计划出版社,2012.3 吕西林.高层建筑结构M.2 版.武汉:武汉理工大学出版社,2003:160-161.4 建筑结构荷载规范:GB 500092012S.北京:中国建筑工业出版社,2012.5 傅学怡.实用高层建筑结构设计M.2 版.北京:中国建筑工业出版社,2010:126-128.6 NEHRP recommended provisions for seismic regulations for new buildings and other structures:FEMA 450S.2003 Edition.Washington,D.C.:Building Seismic Safety Council National Institute of Building Sciences,2004.7 工程结构通用规范:GB 550012021S.北京:中国建筑工业出版社,2021.8 朱炳寅.高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析:JGJ 32010M.北京:中国建筑工业出版社,2013:420-424.9 王国安.高层建筑基础埋置深度研究J.建筑结构,2022,52(1):127-132,126.10 建筑抗震设计规范:GB 500112010S.2016 年版.北京:中国建筑工业出版社,2016.(上接第 129 页)其安全性能严重不足,可采用