土木吧丨大悬挑结构的抗倾覆设计

作者：广东省院结构安全顾问

该项目位于广州市。基本风速为0.5kN/m²，地面粗糙度取C类；设防烈度为7度（0.1g），场地类别为Ⅲ类，特征周期0.45。

如图1、图2，该构筑物的总高度为18.5m，宽度为3m，其高宽比为6.17；由于造型的需要，项目大部分位置为悬挑结构，其中最大的悬挑在顶层，最大悬挑达到6.65m，是框架柱距离的2.2倍，悬挑长度大。由于只在单个侧面悬挑，造成结构严重偏心，整体结构为偏心结构。

图1 4轴剖面图

图2 最顶层平面

在抗倾覆问题上，本结构的特殊情况为，若不考虑基础及覆土的贡献，上部结构无法满足抗倾覆要求。为了确保结构整体的抗倾覆满足要求，采用了筏板基础，并适当控制筏板上的覆土厚度，由筏板自重以及回填土重量平衡整体结构在Y向风荷载或Y向地震作用下倾覆弯矩。因而抗倾覆验算需考虑基础及覆土的贡献。

经盈建科软件基础模块分析，考虑覆土作用时，在最不利的Y向风荷载作用下，基础底没有出现零应力区，见图3。

图3  考虑“恒载（计入覆土荷载） Y向风”时的基底压力

图4  筏板基础大样

如图4，若不考虑覆土作用时，上部结构重量向筏板的形心点取矩，上部结构恒载作用下，筏板所承受上部结构传来的弯矩为1531kN-m；风荷载作用下筏板所承受的弯矩为4656kN-m；根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011第5.2.2条，基础底面边缘的最小压力值：

（受拉）

因此应当用GB50007-2011式（5.2.2-4）计算基底压力；

偏心矩： 

基础零应力区宽度：

零应力区占基底面积：

，参考《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010，第12.1.7条，本结构高宽比大于4，基础底面不宜出现零应力区。

考虑覆土的贡献，用GB50007-2011式（5.2.2-3），基础底面边缘的最小压力值：

，基底不出现零应力区，满足要求。

由于本节的手工验算是假定上部结构及基础均为刚体，因而与第二节的基底压力计算结果（见图3）存在一定出入。

如图4，倾覆点取点A，上部结构重量为905kN，上部结构重量所提供的抗倾覆力矩为1012kN-m；筏板的重量为2388.5kN，筏板自重所提供的抗倾覆力矩为6712kN-m；覆土的重量为4180kN，覆土所提供的抗倾覆力矩为11745kN-m；风荷载作用下，基础底面产生的力矩值为4656kN-m。

抗倾覆安全系数：

，满足要求。

本项目由于其功能需要，悬挑长度较大，并且呈现“下小上大”、“头重脚轻”的状态，在设计过程中，需特别关注由于悬挑长度较大造成结构严重偏心，因而需要关注基底零应力区及抗倾覆验算。由于本结构风荷载起控制作用，本文以风荷载为例，展示了验算过程。

综上，在考虑覆土作用后，本结构基底不出现零应力区，且抗倾覆安全系数为4.18，满足要求。