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摘要：地下室抗浮设计合理性很重要，如抗浮设计不当，会导致地下室隆起、底板破坏、地下室墙和基础梁板出现裂缝、地下室渗水以及上部结构出现裂缝等情况发生，影响建筑正常功能的发挥，甚至造成严重经济损失。由于锚杆和底板的变形和受力是相互影响的，因此，典型的抗浮锚杆设计方法不大合适，采用整体计算的方法进行抗浮设计显得更为合理一些。
关键词：抗浮锚杆；抗浮整体计算；共同作用；优化设计
一、地下室抗浮失效的后果特征分析
地下室抗浮就是通过科学的设计抵抗地下水的浮力，从而提高地下室的稳定性。结合工作实践地下室抗浮失效就是地下室自重没有克服地下水的浮力，导致建筑物整体上浮或者发生倾斜。由于目前地下室具有超深、超广的特点，因此出现地下室抗浮失效问题主要集中在整体抗浮失效和局部抗浮失效。总体而言，地下室抗浮失效会造成巨大的后果，轻则造成地下室出现裂缝、部分结构上浮，重则造成地下室整体出现倾斜，影响其使用寿命。造成地下室抗浮失效的原因主要集中在以下方面：在地下室施工设计的过程中没有考虑到地下水的浮力作用，从而在具体的施工前没有进行抗浮验算；在现场勘查时没有对地下水进行自己的勘验，尤其是忽视地下水的不确定上升问题，例如地下水会在极端的天气下出现上涨；施工人员在计算抗浮力时没有按照准确的公式计算，结果导致计算的数值偏离实际，最终造成抗浮效果差。
二、目前常用的抗浮措施
带地下室或裙房的高层建筑、大型地下车库、下沉式广场以及地铁、地下商场等地下建（构）筑物都存在抗浮的问题，目前经常被采用的措施主要有配重法、降水法、增强结构刚度和强度、设置抗浮锚杆或抗浮桩等。
配重抗浮就是利用一切可以利用的和可以增加的重量在楼面上配重，或加厚底板、或在底板下设低等级混凝土挂重。自重及荷载与水浮力相差不大时采用配重抗浮较合理，相差较大时会使工程造价提高；降水抗浮用于施工期间或水池等构筑物，很少用于地下室等建筑物，适用范围小，并且需要长期控制和维护；增强结构刚度和强度的方法往往会造成上部结构的浪费；设置抗浮锚杆对控制结构整体或局部上浮、底板变形和裂缝都是行之有效的。
但由于上部结构荷载和变形较为复杂，并且锚杆与上部结构是相互作用的，因此，按实际水浮力均匀布置锚杆的设计方法过于简化。尤其是对于带有大面积地下室而高层塔楼偏置的情况，均匀布置锚杆的方法所基于的假设与设计情况偏差较大，不能准确反映结构的实际受力和变形情况，不能合理、经济地设置锚杆。
所以，在分析了水浮力作用下结构与锚杆受力特点后，采用包含锚杆、基础、和上部结构的整体抗浮计算方法更为合理。
三、地下水浮力对结构的作用及抗浮水位的讨论
（一）水浮力对结构底板的作用
根据高层建筑物的基础形式和上部结构布置的不同，水浮力对底板的作用也不尽相同。对于大底盘地下室，其结构布置比较均匀，上部结构重量及各部分刚度相差不大，此情况下若水浮力大于上部结构自重时，结构将整体上浮，理论上，结构上浮，水浮力减小，直至水浮力与结构重量平衡，底板受到向上均匀的水浮力作用，此时柱底相当于底板的弹性支座，受力简单、直接；对于带地下室或裙房的高层建筑，由于高层塔楼部分的重量和刚度与地下室部分相差较大，塔楼重量一般都大于水浮力，在保证塔楼基础底板满足水浮力作用下的强度时不会上浮，但由于与其相邻的地下室或裙房部分由于重量较小，则可能会上浮。
同时从整体上分析，塔楼的基础一般都为筏板基础或桩基础，其刚度很大，那么整个底盘的基础就好像是一个悬臂梁，塔楼的基础是固定端，地下室或裙房部分就类似悬挑端，水浮力对底板的作用就不会是均匀的。
地下室底板都会因水浮力而产生较大的结构内力，前一种情况的水浮力是比较均匀的，不会引起上部结构的不均匀变形。而后一种情况由于结构各部分刚度和质量的差异较大，在水浮力的作用下，结构的变形不完全均匀，上部结构可能开裂甚至破坏，尤其是对塔楼和裙房相连接部位的墙、柱、梁或底板造成严重破坏和影响。
（二）抗浮水位的讨论
按照现行规范及规程的抗浮设计规定，抗浮设防水位是结构抗浮设计验算的重要依据，同时也是工程质量和造价的关键因素。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆地下水水位不仅受场地自然因素的影响，一定程度上也受到人为因素的严重干扰。
例如，近几年南方很多城市经常在降雨季节的丰水期内遭遇短时强降雨袭击，造成城市严重内涝灾害，由于雨水集中量大，不能在短时间内排出，建筑物的地下室被整体埋于水中，其水浮力短时间内骤增，造成地下室整体上浮或局部破坏的工程事故；还有许多内陆城市大量开采地下水，导致地下常年地下水位不稳定，可能就会造成施工勘察期间，得不到准确抗浮设计水位的数值。
所以在抗浮设计时，不能把地质勘察报告上的抗浮设防水位作为抗浮设计的唯一依据，最不利情况下的极限水位也是很重要的。如果在拟建场地周边和城市大环境内无内涝的可能，排水通畅，那么我们可以以地下室入口处的地面标高作为设防的依据，地表水一旦超过此标高后就会涌入地下室内部，这一极限水位可以成为结构抗浮计算的重要指标。反之，无论地质报告提供的抗浮设防水位是多少，结构设计时，都应该综合考虑影响地下水位的因素，必要时应该把抗浮设计水位提高至室外地坪标高，以防止极端情况下的不利因素。
四、抗浮锚杆与地下室底板共同作用
（一）讨论的目的和内容
本文讨论的目的是分析抗浮锚杆与地下室底板的共同作用，得出高层塔楼和裙房地下室底板在受到水浮力作用下结构内力和变形的分布情况，从而对地下室部分抗浮锚杆进行优化设计，确定经济合理的抗浮设计方案。
抗浮锚杆结合不同情况大致分为预应力抗浮锚杆和非预应力锚杆。由于非预应力锚杆具有施工工艺简单，施工周期短的特点，所以在抗浮设计中已被广泛采用为地下室的抗浮措施。但采用非预应力锚杆需要考虑其自身的防腐问题，一般按照50年考虑。
另一方面需要考虑抗浮锚杆的与地下室底板连接处的止水问题，应防止在两者的连接处发生渗漏情况。
（二）抗浮锚杆整体计算思路
抗浮锚杆的直径一般都比较小，因此其工作时的抗拉刚度也是有限的，不能直接将抗浮锚杆作为基础底板的支座处理，所以将抗浮锚杆简化为特定刚度的弹簧，即以抗浮锚杆被假定为固定在基岩上的一组弹簧，在水浮力的作用下产生抗拔力，以进行地下室的抗浮设计。地下室底板的变形，使得抗浮锚杆产生变形，从而产生轴向拉力，抗浮锚杆的向下的拉力又反过来约束了地下室底板向上的变形，这样就会引起地下室底板内力的重新分布。
因此地下室底板和抗浮锚杆之间在受到水浮力作用时是共同作用的，水浮力在抗浮锚杆与地下室底板之间另外地下室的底板在受到水浮力的作用时，由于其上部结构的刚度和质量情况的差异，会造成底板下的水浮力是不均匀分布的，那么各部分锚杆所受到的拉力就会不尽相同，一是按抗浮设计水位计算出水浮力后均匀布置抗浮锚杆造成浪费，二是由于上部结构的刚度和质量情况的差异造成局部向上的水浮力大于抗浮锚杆的抗拔力，造成锚杆或底板破坏。
（三）抗浮锚杆整体计算方法
合理设置抗浮锚杆，则锚杆可承担一部分水浮力，这样就见效底板变形和内力。锚杆的受力与上部结构重量、基础和上部结构刚度等因素有关，设计锚杆时要合理考虑锚杆、基础和上部结构的刚度，建立包含锚杆、基础和上部结构的整体有限元模型来计算。
建立整体模型进行计算，可较为合理的体现锚杆的受力的不均匀性，也能体现底板变形的特点。上部结构模型与设计上部结构时的模型应采用一致，底板和锚杆按实际情况采用。上部结构的竖向荷载按《建筑结构荷载规范》（GB5009-2012）的要求，恒荷载在抗浮验算中属对结构有利，取0.9的折减系数。
（四）抗浮整体计算的合理性
以实际工程案例，采用抗浮整体计算说明。结构大底盘地下室2层，塔楼部分地上为18层，塔楼偏置南侧，塔楼部分地上和地下部分结构重量约141830KN，纯地下室部分重量约28000KN。
地下水浮力合力约81900KN，由于塔楼部分结构自重较大，不会产生上浮情况，单独考虑纯地下室部分其水浮力减去自重约13500KN，结构基础持力层为中风化板岩。纯地下室部分均匀布置了128根抗浮锚杆。平均单根锚杆拉力约为110KN。建立了整体抗浮模型计算，由于地下室重量较小，除柱下的底板外，其余部分底板均产生向上的位移，而地下室外墙和塔楼部分墙下由于刚度和重量较大，加强了与地下室底板的联系，大大减小了底板向上的位移，这对地下室底板的抗浮起到了很大的有利作用。但锚杆的受力是不均匀的，最大轴向拉力为225KN，最小轴向拉力为-26KN，平均轴力为125KN。
计算发现远离塔楼区域的底板向上的位移有增大的趋势，锚杆受力较大；靠近塔楼区域的底板受塔楼刚度和重量的影响，底板向上的位移较小，同时锚杆的受力也较小。并且有部分锚杆受压（约8%左右，根据不同结构布置方式，此数值会有变化），对抗浮不起作用，可省去这部分锚杆。按抗浮设防水位平均布置抗浮锚杆，局部锚杆的受拉力要大于平均计算时的拉力值，局部地下室底板存在安全隐患。因结构刚度和重量的不均匀造成部分锚杆受压，对工程造价不利。通过整体计算方法来分析锚杆的受力情况可以更经济合理的布置锚杆、设计底板。
五、结语
分析了水浮力对结构的作用和影响后，得出抗浮锚杆与地下室底板共同作用的受力特点，发现按水浮力平均布置锚杆的方法有不妥之处，可能造成地下室局部的安全隐患，同时会造成造价提高。考虑将锚杆、地下室底板及上部结构整体建模计算分析，可以更加合理、经济的布置抗浮锚杆，并且更合理的保证结构的安全性，提高基础工程的经济性。
参考文献：
[1]李峰.地下室抗浮锚杆布置方式设计探讨[J].山西建筑，2011，3.
[2]郑伟国.地下结构抗浮设计的思路和建议[J].建筑结构，2013，3.
论文作者:郑博洋
论文发表刊物:《防护工程》2017年第35期
论文发表时间:2018/4/16
标签：地下室论文; 底板论文; 浮力论文; 锚杆论文; 结构论文; 刚度论文; 塔楼论文; 《防护工程》2017年第35期论文;