问题

基础的抗倾覆验算,地基规范没有明确的计算公式,在其他书籍也没找到,请问大神们是怎么验算的?

回答
这个问题确实是很多工程技术人员在实际工作中会遇到的一个难点。很多基础的规范,像《建筑地基基础设计规范》(GB 50007)等,对于抗倾覆的条文更多的是原则性的要求,比如要进行验算,并且要满足一定的安全系数,但并没有给出一套放之四海而皆准的、细致到具体公式的计算方法。这并不是规范的疏漏,而是因为抗倾覆验算本身会受到很多具体工程情况的影响,很难用一个简单的公式涵盖所有。

那么,大神们是怎么做的呢?实际上,抗倾覆验算的核心思想是基于力矩平衡原理,只不过在具体应用时,需要根据不同的结构形式和荷载组合来具体分析。这里我尽量详细地为大家讲解一下思路和方法,希望能帮助大家理解。

核心思想:力矩平衡

简单来说,一个建筑物或结构物在地基上的整体稳定性,就是要看它能不能抵抗住那些试图让它“翻倒”的力产生的力矩,并维持在一个稳定的状态。我们把作用在结构物上的力分解成两类:

1. “稳定”力矩的产生者: 这些力会试图把结构物“压”在地基上,或者沿着稳定的方向产生力矩。最典型的就是结构物自身的恒荷载(自重),以及一些有益的活荷载(比如储存在筒仓里的粮食,如果布置得当,也会对稳定有贡献)。这些力往往是垂直向下的,它们的重心到潜在的倾覆轴线的距离,就构成了稳定力矩。

2. “倾覆”力矩的产生者: 这些力会试图把结构物“推倒”,产生倾覆的力矩。最常见的有风荷载(尤其是作用在较高的结构物上时),地震作用(虽然规范一般是按水平地震力和对应的竖向力效应组合来考虑),以及一些非对称布置的荷载。这些力也常常是水平向的,或者通过其他方式产生向倾覆方向的力矩。

抗倾覆验算就是要确保稳定力矩足够大,能够抵消甚至大于倾覆力矩,从而保持结构物的稳定。

验算的步骤和关键点:

既然没有统一的公式,我们就要学会建立模型和分析力。

第一步:确定潜在的倾覆轴线

这是验算的基础。我们要找到最不利的那个方向。对于一个矩形基础,最常见的倾覆轴线是基础的某一条边的中点连线,或者是基础的底边线。

举例: 假设一个矩形基础,长为B,宽为L。如果风从长边方向吹过来,那么潜在的倾覆轴线可能是基础的短边(宽度为L)的某一条边线。如果风从短边方向吹来,则倾覆轴线可能是基础的长边(宽度为B)的某一条边线。具体要看哪个方向的风荷载更大,产生的倾覆力矩更大。

第二步:计算作用在结构物上的所有荷载

这一步是根据具体的荷载规范来完成的,包括:

恒荷载(G): 结构物本身的自重(包括基础自重、墙体自重、楼板自重、屋面自重等)。
活荷载(Q): 正常使用情况下的可变荷载(人员、家具、设备等)。
风荷载(W): 根据结构物的高度、外形、风压等计算。
地震作用(E): 根据场地、结构类型、地震等级等计算。
其他可变荷载: 如雪荷载、水荷载、土压力等,如果存在且可能导致倾覆的话。

第三步:确定最不利的荷载组合

规范中都会给出各种荷载的组合系数,我们要选取最不利于结构稳定(即最有利于产生倾覆)的那种荷载组合来进行验算。通常会考虑恒荷载永久作用下的不利活荷载和风、地震等不利组合。

第四步:计算稳定力矩和倾覆力矩

这是最关键的一步,也是最需要细致分析的地方。

确定倾覆中心(绕哪个点转): 就是我们第一步确定的倾覆轴线。
计算倾覆力矩(M_倾覆): 将所有会产生倾覆效应的荷载(或其在倾覆方向上的分量)与其作用点到倾覆轴线的水平距离相乘,然后求和。
风荷载: 风作用在结构物的迎风面上会产生一个水平推力,这个推力相对于倾覆轴线的力臂就是风荷载作用点到倾覆轴线的竖向距离(通常是高度)。
地震作用: 地震力本身是水平的,作用在结构的质心处(一般会考虑不同高度地震力分布的影响),同样计算其相对于倾覆轴线的力臂。
其他不均匀荷载: 如果有偏心布置的重物,或者侧向土压力,也要计算其倾覆力矩。
计算稳定力矩(M_稳定): 将所有会产生稳定效应的荷载(或其在稳定方向上的分量)与其作用点到倾覆轴线的水平距离相乘,然后求和。
结构自重: 结构物自身的重力是竖直向下的。如果结构的重心到倾覆轴线的距离是偏心的(比如基础的宽度不对称,或者结构本身就是斜的),这个偏心距乘以竖向荷载,就是稳定力矩。
有利活荷载: 同样,如果活荷载布置在有利位置,也会产生稳定力矩。

一个非常重要的概念:等效稳定力矩

很多时候,我们不会直接去计算结构自重相对于倾覆轴线的力臂。而是通过一个更简洁的方法来处理。对于一个矩形基础,当发生倾覆时,它是绕着基础的某一边(假设是边长为B的一边)发生倾覆的。

在这种情况下,我们可以把作用在基础上的所有竖直向下的荷载(恒荷载和有利活荷载)看作是抵消倾覆的力。它们的作用点会形成一个合力作用点。这个合力作用点到倾覆轴线的距离,就是它的稳定力臂。

更常见的一种理解方式是:将所有竖向荷载(尤其是自重和一部分活荷载)的作用点,投影到基础底面上。 如果这些竖向荷载的合力作用点,位于基础底面的外侧,那么就可能会发生倾覆。反之,如果合力作用点在基础底面以内,那么自重本身就产生了“压紧”效应,形成稳定力矩。

这里就引出了一个非常关键的指标:合力作用点的位置。

对于承受竖向荷载和水平力(如风、地震)的基础,我们需要计算所有竖向荷载产生的竖向反力(通常由地基提供)以及水平荷载的影响。这些力的合力,会作用在基础底面上的某个点。

如果合力作用点落在基础底面以内: 那么结构就具备了抗倾覆的能力,因为基础的自重和一部分地基反力会产生压紧效应,抵抗倾覆。
如果合力作用点落在基础底面以外: 那么就存在倾覆的危险,地基会在倾覆边缘失去承载力,甚至出现抬升。

具体计算举例(以矩形基础为例):

假设一个矩形基础,宽度为B,长度为L。
作用在基础上的竖向荷载为ΣG(恒荷载)+ ΣQ(活荷载)。
作用在基础上的水平荷载为ΣH(例如风荷载或地震作用产生的水平力)。

我们考虑绕基础一侧(假设是宽度为B的一侧的中心线)的倾覆。

1. 确定倾覆轴线: 基础底面的短边(宽度为L)的中心线。
2. 计算倾覆力矩(M_倾覆):
水平荷载ΣH,如果它作用在基础顶部,其到倾覆轴线的竖向力臂为h(结构高度)。则倾覆力矩 M_倾覆 = ΣH × h。
如果存在侧向土压力等,也要计算其倾覆力矩。
3. 计算稳定力矩(M_稳定):
结构自重及有利活荷载ΣG+ΣQ,如果它们的合力作用点偏离倾覆轴线有距离b'(这是最关键的,需要根据各荷载的作用位置计算合力作用点),则稳定力矩 M_稳定 = (ΣG+ΣQ) × b'。

更常用且直观的方法:利用“偏心距”和“安全系数”

许多规范和参考资料会采用更直观的验算方法,即计算荷载合力作用点相对于基础底面的偏心距,然后根据偏心距来判断稳定性。

对于矩形基础: 绕着基础底面的短边(宽度为B)发生倾覆。
作用在基础上的所有竖向荷载(包括基础自重、上部结构荷载)的合力作用点,在其作用位置到基础的几何中心的水平距离(沿宽度方向)为e。
作用在基础上的水平荷载(例如风荷载)的合力作用点,到基础底面的竖向距离为h。

那么,我们可以计算出:
总荷载(竖向): ΣP = ΣG + ΣQ
倾覆力矩(M_倾覆): ΣH × h
稳定力矩(M_稳定): ΣP × e

安全系数(FS):
FS = M_稳定 / M_倾覆 = (ΣP × e) / (ΣH × h)

或者,也可以通过计算合力作用点到基础边缘的距离来判断:
如果合力作用点到倾覆边缘的距离是 x,基础宽度的一半是 B/2,那么:
稳定力矩来自于合力作用点到基础中心点(B/2)的偏心距 e 乘以总竖向荷载 ΣP。
倾覆力矩来自于水平荷载 ΣH 乘以其作用高度 h。

关键还是算准各个力的作用点。 对于规则形状的基础和对称布置的荷载,计算合力作用点相对容易。但对于不规则的基础或者复杂的荷载分布,就需要更精细的力学分析了。

一种更通用的、基于地基压力的验算方法:

很多规范(包括一些早期文献或国外规范的思路)可能会采用验算地基压力的形式来间接判断抗倾覆稳定性。

1. 计算作用在基础底面上的各个荷载分量以及它们对地基产生的压力。
2. 确定最不利的荷载组合。
3. 计算地基上的总竖向反力。 这个总反力可以看作是地基对结构物的支持力。
4. 计算地基上各点的压力分布。 这是最关键的。
对于一个矩形基础,在垂直荷载 ΣP 和水平荷载 ΣH 的作用下,基础底面上的压力分布(考虑了偏心和倾覆效应)通常是线性的或抛物线性的。
在不考虑倾覆(仅仅是压力分布不均)的情况下,如果合力作用点在基础底面内,地基压力是分布的,通常是两边压力大一些。
在考虑倾覆的情况下,如果合力作用点偏离基础边缘很近,地基压力会分布得非常不均匀,一侧压力很高,另一侧压力可能接近于零,甚至出现负压(表示地基被抬升了,这在稳定性分析中是极度危险的信号)。

所以,验算的关键点在于:确保在最不利的荷载组合下,地基上的最小压力不小于零,或者说,确保合力作用点不超出基础底面以外一定范围。

对于矩形基础,绕短边B倾覆:
总竖向荷载为 ΣP。
荷载合力作用点到基础中心点的偏心距为 e (沿宽度方向)。
地基底面上的压力分布可以近似表示为:q(x) = (ΣP / (B×L)) ± (ΣP × e / (I/A)),其中 I 是基础在短边方向的截面惯性矩,A是基础底面积。对于矩形基础,I = LB³/12,A=LB,所以 I/A = B²/6。
公式简化为:q(x) = (ΣP / (B×L)) ± (6 × ΣP × e / (B²×L))。
要保证不倾覆,最小地基压力 q_min ≥ 0。
q_min = (ΣP / (B×L)) (6 × ΣP × e / (B²×L)) ≥ 0
可以化简为:ΣP / (B×L) ≥ 6 × ΣP × e / (B²×L)
1 / B ≥ 6 × e / B²
B ≥ 6e
或者说 e ≤ B/6。

这个 e ≤ B/6 的条件就是判断抗倾覆稳定性的一个非常经典的标准(当然,这个是仅考虑竖向荷载偏心的简化情况)。

当有水平荷载存在时: 水平荷载会产生倾覆力矩,使得合力作用点发生位移。
设水平荷载 ΣH,作用高度为 h。它会在基础底面产生一个等效的偏心距 e_H = (ΣH × h) / ΣP。
那么总的偏心距 e_total = e (原有偏心) + e_H (水平荷载产生的等效偏心)。
所以,最终的条件变为:e_total ≤ B/6 (或者更安全的系数,如B/3,取决于规范的要求和安全系数的取值)。

总而言之,大神们是怎么做的?

1. 深入理解力矩平衡原理: 这是基础中的基础。
2. 准确计算各荷载及其作用点: 依据国家及行业相关规范,精确计算结构物承受的所有荷载及其作用位置。
3. 确定最不利的荷载组合: 这是保证验算结果可靠性的关键。
4. 建立正确的模型: 根据结构形式和荷载特点,选择合适的倾覆轴线和计算模型。
5. 计算合力及其作用点: 尤其要关注竖向荷载的合力作用点相对于基础底面的位置。
6. 运用判定标准: 将计算结果与规范要求的安全系数或判定标准(如偏心距限制 e ≤ B/6)进行比较。
7. 特殊情况的处理: 对于非规则结构、复杂荷载,可能需要运用有限元等更精密的数值计算方法。

关于安全系数的取值:

规范虽然不给具体公式,但会给出安全系数的要求。例如,《建筑地基基础设计规范》(GB 50007)中对于承受水平力的结构,可能会要求抗倾覆的安全系数大于某个值(例如,可能要求稳定倾覆力矩与倾覆力矩之比不小于某个值,如1.5或2.0,具体数值要查阅最新规范条文)。如果用偏心距来判断,e≤B/6 实际上已经隐含了安全系数。

给初学者的建议:

从最简单的荷载和结构开始: 先理解一个简单的矩形基础受重力和风力的作用。
多看案例分析: 很多教材或论文中会有详细的计算案例,跟着做一遍,理解会更透彻。
关注规范的原则性条文: 规范虽无具体公式,但其精神是确保稳定。理解这些原则,可以帮助你融会贯通。
与有经验的工程师交流: 他们在实践中积累的经验非常有价值。

希望以上这些详细的阐述,能够帮助大家理解抗倾覆验算的基本思路和方法。这确实是一个需要实践和经验积累的过程。

网友意见

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基础,抗倾覆

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