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摘要：随着土地开发的日益紧张，地下空间的开发利用及地下水对建筑的影响，让建筑物的抗浮问题日益彰显，特别是不同地质条件的抗浮问题。本文章根据工程案例，对地下水浮力作用造成地下室底板局部上浮起拱变形问题进行分析，并采取抗浮锚杆设计方案和措施。
关键词：建筑地下室；抗浮锚杆；设计
前言
地下室由于水浮力作用，导致地下室整体或局部的拱变形产生裂缝甚至严重漏水，一般采取降低地下水位、增加结构自重和回填土的深度、增设抗浮桩（锚杆）等一种或几种的组合的方法。众多工程案例证明合理地采用抗浮锚杆来保证地下室的抗浮措施，可以有效节约材料、缩短施工工期、提高经济效益等效果。
一、抗浮锚杆的设计方法
（1）常规设计法
常规锚杆设计方法是将地下水浮力作为可变荷载施加于地下室底板底面，将地下室自重作为永久荷载，于是抗浮锚杆所受荷载的设计值按最不利荷载的组合确定为：
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常规设计方法的基本流程是将水浮力减去结构自重计算出单位面积上锚杆需承担的力，在假设锚杆受力均匀且满足规范最小间距的前提下确定锚杆横向及纵向布置间距，根据布置间距按式（2）计算出单根锚杆的轴向拉力，最后根据《岩土锚杆（索）技术规程》验算抗浮锚杆杆体截面积和锚固段长度。该方法假定各锚杆受力均匀，而在实际工程中底板变形往往较为复杂，导致锚杆实际受力是不均匀的，故常规设计方法可能造成结构和底板局部抗浮承载能力不足或锚杆布置浪费。
（2）整体有限元计算法
整体有限元计算法首先通过理论和试验研究确定锚杆的线刚度和等效长度，在有限元模型中将锚杆体设为拉压杆单元，即两端点为铰接点的杆单元，只承受轴向拉压作用。该单元上部与底板结构相连，下部与地基相连。但是，该方法需要建立结构的整体有限元计算模型，且计算中模型收敛性较差，设计过程复杂繁琐，难以在工程中普遍推广。
该方法中锚杆线刚度由下式求得：
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（3）底板变形修正法
有限元计算结果显示，底板变形较大部位的锚杆所受拉力较大，因而底板变形能在一定程度上表征锚杆拉力的大小，故可采用该锚杆处底板变形和整体底板变形的平均值之比，来修正锚杆的实际拉力。在实际工程中，锚杆距离中心越远，其所受的拉力越大，这是因为远离柱墩处底板受上部荷载的影响较小，而致水浮力作用下的底板向上变形大于柱墩附近底板，从而使得该处锚杆的拉力较大。此外，锚杆拉力还与锚杆锚固长度、岩土层基床系数以及锚固体本身的刚度有关，所以可引入变形修正因子对式
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由公式（4）、（5）可知，底板变形较大部位的锚杆受力较大，这和工程实际结果相符，由此布置锚杆可使得锚杆受力更为准确，并可充分利用锚杆的抗拉强度。底板变形修正法在常规设计法的基础上考虑了底板变形对锚杆拉力的修正，在保证锚杆受力准确的同时又较整体有限元计算法有更好的可操作性。
二、地下室抗浮锚杆设计案例分析
本工程地下室为1层钢筋混凝土框架结构，柱网尺寸主要为7m×8.4m，柱截面尺寸为500mm×500mm。地下室顶板主梁截面 400mm×1000mm，次梁 350mm×800mm；地下室基础梁截面尺寸为 400mm×1400mm，基础承台截面尺寸为2400mm×2400mm×600mm，基础承台下设置4准150mm 抗浮锚杆，锚杆入岩深度约为 6.0m，单根锚杆的抗拔承载力设计值为350k N；地下室底板结构与承台间依靠1220柱钢筋连接。地下室底板及顶板结构平面图见图 1。
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图 1 地下室底板结构平面示意图
（1）地下室抗浮验算：
①水浮力计算
H=5.08+0.5+0.72=6.3m；
f=6.3m×10k N/m3=63k N/m2；
L=8.4m；B=7.0m；
单柱受荷面积 A=8.4×7.0=58.8m2；
水浮力总值 F=f A=63×58.8=3704kN。
（2）锚杆抗拔承载力复核
① 锚杆抗拔摩擦力特征值
根据地勘报告可知，岩石抗拔系数 λ=0.8，岩石与锚固体的粘结强度特征值中风化粉砂岩 frd=180k Pa，锚杆有效长度为 6.0m，抗浮锚杆的抗拔承载力特征值根据《建筑地基基础设计规范》公式：Rt≤Σ0.8πd1×l×frd 得单根锚杆抗拔摩擦力特征值为 406k N，则4根锚杆总抗拔摩擦力特征值为 1624k N。
②锚杆钢筋抗拉力设计值
锚杆采用钢筋的抗拉强度标准值为 fyk=400MPa，总截面积为 1846mm2；锚杆的抗拉力标准值为 738kN；根据《混凝土结构设计规范》规范公式，锚杆钢筋抗拉力特征值为 332kN（按最大裂缝控制宽度 0.2mm 计算）；每个承台设有 4 根锚杆，其总抗拉力特征值为1328kN。
③锚杆钢筋锚固长度
锚杆锚入承台混凝土的为28钢筋，钢筋抗拉强度 fy=360MPa，承台混凝土强度设计等级为C35，锚固长度需要630mm，大于承台高度600mm，考虑钢筋在承台顶部的机械弯折，可满足锚固要求。
（3）短柱抗拉承载力验算
①柱钢筋抗拉特征值计算
短柱的截面尺寸为500mm×500mm，配置1220钢筋，钢筋抗拉强度标准值为 fyk=400MPa，总截面积为3768mm2；12根钢筋的抗拉力标准值为 1507kN；根据 《混凝土结构设计规范》，柱 12 根钢筋抗拉力特征值为652kN（按最大裂缝控制宽度0.2mm计算）。
② 柱钢筋锚固长度
柱钢筋锚入承台混凝土的为20钢筋，钢筋抗拉强度fy=360MPa，承台混凝土强度设计等级为 C35，锚固长度需要450mm 小于承台高度600mm，满足要求。
（4）基础承台承载力复核
承台的厚度按实测取590mm，钢筋保护层厚度130mm，承台面钢筋取14@167（922mm2/m），承台混凝土抗压强度采用C35；柱所受的拉力采用钢筋抗拉力标准值为1507kN，柱边截面的弯矩为88kN·m。根据计算可知承台顶部钢筋需要面积为 600mm2/m，小于922mm2/m，配筋满足要求。此时承台顶部的应力为0.6MPa，小于 C35 混凝土的抗拉强度标准值 ftk=2.20MPa；承台抗弯承载力满足 《混凝土结构设计规范》的要求。
（5）地下室结构自重及抗浮计算
在施工工况下（顶板无覆土）结构自重 G1=1447kN；在正常使用工况下结构自重 G2=2903kN，短柱抗拔承载力 标准值小于锚杆抗拔力标准值，起主控作用，则G总=2903+1298=4201k N，G总/F=4201/3704=1.13＞1.05，故地下室抗浮设计满足要求。但在正常使用的工况下，即地下室底板建筑做法及顶板覆土完成后，当室外地下水位达到抗浮水位设计值时，短柱受到拉力为3704-2903=801kN，大于柱钢筋的抗拉承载力特征值652kN，地下室短柱裂缝宽度将大于0.2mm，混凝上耐久性将不能满足规范要求。
三、设计注意事项
由于锚杆刚度、基础底板刚度、上部柱传来的竖向集中力大小等因素将造成锚杆和基础底板受力结果与按静力平衡估算的受力结果有较大差异，因此，为了使设计安全合理，本工程只去掉独立基础范围内的锚杆，这样的做法使得锚杆的数量比集中布置方式增加了15.6m，底板配筋计算时：柱、锚杆模拟为支座。按柱网2.Omx2.1m的无梁楼盖计算，板厚300，配筋均为构造配筋、因此，虽然均匀布置于底板下的设计方式锚杆总数目大于集中布置于柱下的设计方式，但是减少了底板厚度、配筋，以及减少了上方的开挖外运，综合计算，工程总造价得到优化。
底板的变形是否小于锚杆的极限位移，从而使得锚杆不会发生个别破坏进而引起全部破坏的情况、木工程岩石锚杆承载力特征值为180kN，锚杆承载力极限值为360kN，根据木工程岩石锚杆抗拉拔检测报告.岩石锚杆在达到180kN抗拔承载力特征值时，位移为2.2-3.5mm，岩石锚杆在达到360kN抗拔承载力极限值时，位移为3.3-4.7mm、运用MADIS/GEN软件对地下室底板进行有限元分析，抗浮锚杆均布于地下室底板下的抗浮设计方案中地下室底板的最大计算变形量2.7mm均小于锚杆达到极限抗拔承载力时的上拔弹性位移量，从而保证了锚杆在水浮力作用下不失效。
四、结束语
抗浮锚杆能够很好地抵抗浮力，对控制结构整体或局部上浮、底板变形和开裂都有很好的效果。但是，由于锚杆、基础与上部结构是相互作用的，且结构的荷载和变形比较复杂，对于带有大面积地下室或塔楼偏置的结构，常用锚杆设计方法所基于的假定与实际情况有较大偏差，不能反映结构的实际受力和变形情况。因此，现有均匀布置抗浮锚杆的方式无法有效、经济地设置锚杆。
参考文献
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[2]魏海涛，任志纲.传统元素在现代建筑装饰设计中的运用[J].河南建材，2011，（05）.127-128.
论文作者:余浩然
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/6
标签：锚杆论文; 底板论文; 地下室论文; 钢筋论文; 承载力论文; 锚固论文; 值为论文; 《建筑学研究前沿》2018年第24期论文;