对基础基底零应力区面积的几点思考

朱 海 军

(煤炭工业太原设计研究院，山西 太原 030001)

对基础基底零应力区面积的几点思考

朱 海 军

(煤炭工业太原设计研究院，山西 太原 030001)

总结了建筑结构设计中基础底面零应力区面积的规范规定，分析阐述了现行规范对于基底零应力区面积规定的不合理之处，提出了基底零应力面积限值应该依据是否考虑地震作用而区别对待，执行不同的规范条文，建议实际设计工作中对基底零应力面积限值可适当放宽。

基础，地基，基底压力，基底零应力面积

1 问题提出

在建筑结构中，上部荷载通过基础传给地基土， 一般情况下基础传给地基土的应力为压应力；但在某些情况下，如基础承受偏心荷载较大或者承受拉力时，基础与地基土之间可能产生拉应力，由于地基土本身不能承受拉应力，使得基础与地基土之间会脱开而不存在应力，工程上通常将此脱开部分的应力称之为零应力，如图1所示。基础底面下零应力区的面积不能过大，只允许基底在适当范围内存在零应力，现行规范对基底零应力区面积有严格规定。

2 规范相关规定引述

目前，在建筑结构设计规范中，基底下零应力区面积的具体规定主要在以下四本国家规范中，现分别摘录其中的相关条文如下：

GB 50011—2011建筑抗震设计规范中第4.2.4条：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，基础地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%。

GB 50191—2012构筑物抗震设计规范中第4.2.5条：形体规则的构筑物，零应力区的面积不应大于基础底面积的25%；形体不规则的构筑物，零应力区的面积不应大于基础底面积的15%；高

宽比大于4的高耸构筑物，零应力区的面积应为零。

JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程中第12.1.7条：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；高宽比不大于4的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。质量偏心较大的裙楼与主楼可分别计算基底应力。

GB 50007—2011建筑地基基础设计规范中的8.4.2：筏形基础在准永久组合下，偏心距e宜符合e≤0.1W/A,其中,W为与偏心距方向一致的基础底面边缘抵抗矩；A为基底面积。

为方便叙述，本文将以上四本规范分别简称为《抗规》《构抗规》《高规》及《地规》。

3 对规范相关规定的理解与思考

3.1 相关规范规定的适用范围

1)上述四本规范的规定大同小异，但不完全相同，其中关键的数字指标为高宽比大于4和基底零应力面积之比小于15%，其中《高规》的规定最详细，既适用于抗震设防(或考虑地震作用组合)的建筑物(构筑物)，又适用于非抗震设防(或不考虑地震作用组合)的建筑物(构筑物)。因为《抗规》和《构抗规》是专门的针对地震作用下的规范，故《抗规》4.2.4条的规定从文字上看是《高规》12.1.7条的一部分，而《构抗规》4.2.5条则是在《抗规》4.2.4条基础上的指标细化。《地规》对整体式筏形基础单独规定了偏心距限值要求，并且限值严格，能保证基底不出现零应力，也可以看作是此类基础在非抗震设防(或不考虑地震作用)条件下的基底零应力面积规定。

2)可以看出，对于基底零应力面积的规定，除了《地规》外，其余三本规范的规定基本是一致的。实际应用时，关键是要看基础与地基的应力计算是否计入地震作用，然后再依据结构和基础的形式选用合适的规范。当基底应力计算不计入地震作用时，仅执行《高规》或《地规》即可，此时不限制基底零应力面积；但为了提高安全度，可以参考执行《抗规》。当基底应力计算计入地震作用时，应依据建筑物的体形、结构及基础形式分别执行上述四本规范中相应的条文。

3.2 非抗震设防条件下(或不考虑地震作用组合)的情况

1)目前只有《高规》中规定了高宽比大于4的高层建筑的基底零应力面积的规定，而且采用重力荷载和水平荷载的标准组合。对于高宽比小于4的高层建筑没有规定，现行其他规范对低层和多层房屋的基底零应力面积也没有规定，这就使得低层、多层及高宽比小于4的高层房屋的基底零应力面积在设计中无执行依据，这样的基础到底要不要限制基底零应力的面积，假如要限制，多少限值为合理，类似的问题经常存在，给设计和施工带来困难。

2)对于一般的低层、多层及高宽比小于4的高层房屋结构，在设计过程中可以不考虑基底零应力面积的规定，只要执行《地规》5.2.1条的规定即可：

即在偏心荷载作用下，只需同时满足pk≤fa，pkmax≤1.2fa，其中,pk为基底平均压力；pkmax为基底边缘最大压力；fa为修正后的地基承载力特征值。

因为在不考虑地震作用组合时，基础与地基之间的作用力属于静力作用，基底应力假设按线性分布，属于简单的作用力与反作用力问题。只要基底应力满足地基的承载力要求，地基变形满足规定要求，就能保证地基不破坏，即地基能满足要求，就应该允许基底出现零应力，没有理由规定基底零应力面积的大小限制。因此，低层、多层及高宽比小于4的高层房屋结构的基础设计可以不考虑基底零应力面积的要求，不存在控制基底零应力面积限值一说，本质上就是单纯的地基承载力和变形问题。

3)当某些高层建筑符合《高规》12.1.7条中规定的条件时，要限制基底零应力面积不超过15%，因为此类高层建筑一般都比较重要，即使不考虑地震作用，其基底应力也会很大，而且常设有地下室，地基破坏会产生严重后果，因此要控制基底零应力的范围。严格来说，只有符合《高规》12.1.7条的高层建筑才执行此项规定，其余不符合条件的建筑可以不执行此条规定，但可以作为参考。

4)当某些高层建筑采用筏基、箱基等整体式基础时，应符合《地规》8.4.2条的规定，即e≤0.1W/A。对于矩形基础，假设基础宽为B，则e≤0.1W/A=B/60。可以看出，此值远小于矩形基础产生拉应力的临界偏心距e=B/6，仅为其1/10，也即基底永远不会出现拉应力，不必控制基底零应力面积。

5)对于高层建筑，单纯的用结构的高宽比H/B=4来划分，并不合理。严格来说，仅适用于结构上部宽度B和基础宽度相等的情况，当基础相对于上部结构外挑较多时，基础宽度远大于B，采用H/B来划分基底零应力面积是不恰当的，应该用基础的实际宽度。而且高宽比在4附近跳跃性太大，高宽比大于4时，零应力面积为零，高宽比不大于4时，零应力面积之比为15%，中间没有过渡，使得基底零应力面积限值变化幅度剧烈，不合理。建议高宽比H/B在0～4之间时，基底零应力面积的限值规定在0%～15%之间线性插值使用。

3.3 抗震设防条件下(或考虑地震作用组合)的情况

1)在考虑地震作用下，基础与地基的应力计算属于动力计算的范畴，目前采用近似的“拟静力法”并不能真正准确的计算地震下的基底应力。由于高宽比大于4的高层建筑和高耸结构一般都比较重要，在地震作用下基底应力分布复杂，且此类结构随着高度的增加而稳定性降低，故《抗规》《高规》及《构抗规》对这类结构规定要严，均规定基底不出现零应力，即基底始终为压力。

2)对于高宽比小于4的高层建筑和高耸结构，《抗规》《高规》规定允许基底出现拉应力，但控制基底零应力面积与基础面积之比不超过15%；《构抗规》也允许基底出现拉应力并适当放松限值，对于形体规则的构筑物其基底零应力面积与基础面积之比不超过25%，而对于形体不规则的构筑物其基底零应力面积与基础面积之比则不得超过15%。

3)对于一般的低层、多层及高宽比小于4的建筑物(构筑物)，在执行《抗规》4.2.4条和《构抗规》4.2.5条的时候，应按结构的重要性和基础的形式合理的确定基底零应力面积限值，一律要求不大于15%是不恰当的，当有可靠依据且保证建筑物(构筑物)稳定的情况下，可将这一限值放松至30%，甚至50%。在偏心荷载作用下，基底压力只需同时满足《抗规》中(4.2.4-1，2)式 规定即可；即p≤faE；pmax≤1.2faE，其中,p为考虑地震作用效应标准组合的基底平均压力；pmax为考虑地震作用效应标准组合的基底边缘最大压力;faE为调整后的地基抗震承载力。此时，基底压力只要满足上述两式就能保证地基在地震作用下不会产生强度破坏，允许基底出现拉应力。在满足地基变形和稳定的前提下，只要基底压应力不超过地基承载力，就可以保证地基的安全，此时应不再要求基底零应力面积之比，或者适当放松规范中基底零应力面积的限值。

4)在考虑地震作用下，基底零应力面积之比的限制与建筑的高宽比H/B有关，这是不合理的，仅仅适用于建筑上部结构与基础宽度相同的特殊情况，理由与上述3.2中3)相同。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[2] JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3] GB 50007—2011，建筑地基基础设计规范[S].

[4] GB 50191—2012，构筑物抗震设计规范[S].

[5] 朱炳寅.建筑抗震设计规范应用与分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

On consideration for zero stress coverage of foundation

Zhu Haijun

(TaiyuanDesignResearchInstituteforCoalIndustry,Taiyuan030001,China)

The paper sums up the regulation for the foundation zero stress coverage in architectural structure design, illustrates some unreasonable parts for the regulation in current rules, and points out the foundation zero stress coverage limited value should refer to the differential treatment by considering the seismic role, and suggests the limited value for the zero stress coverage should be widened by implementing different regulations.

foundation, basement, foundation pressure, basement zero stress coverage

2014-10-23

朱海军(1981- )，男，工程师

1009-6825(2015)04-0041-02

TU311

A