深圳市广泰建筑设计有限公司
摘要：本文主要通过某地下室底板抗浮设计，对常用的抗浮措施进行分析比较，因地制宜，选用合适的抗浮措施，保证工程的抗浮方案安全、经济、合理。
关键词：抗浮措施；配重抗浮；排水减压抗浮；抗拔桩抗浮；抗浮锚杆；预应力底板
一、工程概述
深圳某地下室底板设计：该项目地下室共三层，为框架结构形式，平面长281.8m，宽179.45m，占地3.65万平方米，地下一层层高 5m，地下二层层高 3.8m，地下三层层高 3.8m；地下室顶板顶标高10.95m（绝对标高），地下室底板顶标高-1.95m（绝对标高）。地下室底板板厚550mm，单桩承台厚度1100mm 为主，两桩桩承台厚度 1600mm 为主，承台多为二桩承台。柱网尺寸8.4m×8.4m 为主，混凝土强度 C40，工程的部分区域存在无上部结构的中庭及室外广场。
根据岩土工程勘察报告，地下室底板以下土层分别为砾砂、砾质黏性土、粉质黏土、全风化粗粒花岗、强风化粗粒花岗岩、中风化粗粒花岗岩、微风化粗粒花岗岩等，该地下室基础采用旋挖孔灌注桩，桩径1.0m～1.2m，桩长约14m～24m，以微风化粗粒花岗岩为桩端持力层。综合场地水文地质条件及周边排水情况，地下室抗浮设计水位标高为 10.2～12.0m（绝对标高），基础底板低于抗浮设计水位12.7m～14.5m，必须做好底板的抗浮、抗渗设计。
本文将结合此工程实例就常用几种抗浮设计方案进行分析比较。
图1单个柱网抗浮单元
图2桩/锚杆抗拔承载力验算结果
二、抗浮方案分析比较：
1 结构自（配）重抗浮。
当水浮力与自重相差较小的地下结构，抗浮措施最简便、直接的方法就是增加结构自重，可采用包括配重、顶板压重及底板压重等配重法抗浮措施。由表1可以看出，加大地下室底板厚度至800mm，抗浮力标准值为6094.6kN，水浮力标准值F=8996.4kN，由广东省标准《建筑工程抗浮设计规程》DBJ/T 15-125-2017中的5.1.2条得：Kw1=W/F=6094.6/8996.4=0.7<1.05，所以结构的整体抗浮不满足要求，且自重与水浮力差距较大，采用增加底板厚度或压重措施成本较高，不建议采用。为满足整体抗浮要求，将原抗压桩兼作抗拔桩使用，抗拔桩的抗拔承载力取2700kN，由表1可知，考虑抗拔桩后整体抗浮稳定性满足规范要求。
表1
2 排水减压抗浮法
在基底下方设置静水压力释放层，使基底下的压力水通过释放层中的透水系统（过滤层，导水层）汇集到集水系统（滤水管网络），并导流至出水系统后进入专用水箱或集水井中用水泵抽出，从而释放部分水浮力。
此方法一般在以下几种情况下适用：1）抗浮设计水位较浅，利用底板及其上覆土自重可抵抗一部分水浮力，只有当季节性水位，高于盲井水位时才需要启用抽水机械。2）地下室在施工阶段由于上部结构尚未提供竖向荷载而不满足抗浮要求，随上部结构主体自重最终能满足抗浮要求。
如地下水位长时间处于较高水位时，将一直需要抽水泵运行抽水，为保证安全的地下水位，应进行长期监测，需要随时通过设置的检查井观察地下水位是否满足设计标高，需要长期的人力及物力的投入，建设方在建筑物投入使用后很难保证安全有效的管理，且对罕见降水的出现使地下水位的瞬间涨高无法有效的进行控制，因此虽然前期造价低，但后期运营综合经济效益较差。本项目临近河道，且附近有地铁线路，长期排水减压对周边环境和建筑物影响较大，故排除该方案。
3抗浮锚杆设计
本工程场地基岩层存在不均匀风化及风化夹层现象，基岩各风化带的顶板起伏相对较大，中、微风化岩埋藏较深且起伏大，且场地内不均匀地分布有较多中、微风化粗粒花岗岩孤石（风化球），本工程由于抗浮设计水位较高，杆体承担的水浮力较大，普通螺纹钢HRB400难以满足受力要求，因此锚杆设计选用预应力高强度钢绞线，预应力锚杆的抗拔承载力取为400kN，锚杆长度达10～16m，锚杆的抗拔承载力验算结果详见图2，锚杆应力呈柱上板带较小，跨中板带较大，应力分布不均匀。由表2可知，由于水压较大，加设抗浮锚杆后，底板仍然出现位移，底板配筋是由裂缝控制，为满足裂缝宽度限值要求，配筋量较大。故抗浮锚杆方案不在优先考虑范围。
4 抗拔桩+预应力底板
本项目的塔楼及地下室均采用旋挖孔灌注桩，其中地下室桩基的桩径1.0m～1.2m，桩长约14～24m，可以将抗压桩兼作抗拔桩使用，抗拔桩的抗拔承载力为2700kN，由表1可知，考虑抗拔桩后整体抗浮稳定性满足规范要求，故只要解决底板在水浮力作用下的位移、裂缝及配筋量问题，即可满足该地下室的抗浮设计，而在地下室底板中施加预应力，增加了底板刚度，以利于控制结构的挠度和减少裂缝的开展，同时可以减少底板钢筋含量和底板厚度，以利于减少基坑开挖深度，大幅减少土方开挖量和基坑支护费用。
表2
三、有粘结预应力底板的应用
1 底板所受荷载的主方向是向上，因此预应力筋的曲线应为跨中在板顶，支座在板底（承台底），与一般楼板的预应力筋曲线方向正好相反，预应力筋的曲线详图3、图4。底板预应力筋的张拉端应避免设置在底板边，因为底板长度较大，板边张拉的施工质量难以保证，且施工时钢筋及锚具暴露在水中或潮湿环境中，结构的耐久性难以得到保证，建议在板面张拉或在后浇带处张拉预应力筋。
图3柱上板带预应力曲线
图4跨中板带预应力曲线
2分析设计软件采用美国 CSI 公司开发研制的 ETABS 系列的 SAFE16 软件，它将有限元分析理论完整的应用到结构分析设计过程中，分析结果经多次设计及施工实践证明其更接近实际受力情况，是一种分析和设计底板和楼板的强有力的工具。
3结构模型考虑承台作用，墙体、板均按照壳体建模
4板带划分：1）承台宽度为 3.3m 时，按照变截面板设计，根据 3.3m 将板带划分为x 向以及y向。2）跨中板带划分：跨中板带即为各跨度减去承台的宽度，将板带划分为x 向以及y向。
5通过有限元分析软件计算后，得出各板带单元的支座、跨中的内力（弯矩、轴力），对其作强度、冲切、裂缝验算，并满足要求。
6施工阶段验算：根据混凝土结构设计规范 GB 50010-2010 7.1.1 条，荷载标准组合下受拉边缘应力满足，即板面板底不开裂。混凝土强度等级 C40时，ftk=2.39N/mm²；提前张拉时，混凝土强度等级不得低于 75%，此时 ftk=2.01N/mm²，板面板底应力均低于 2.01N/mm²，即提前张拉拆模，满足设计要求。
7底板预应力X向钢筋示意详图5，Y向钢筋布置类似。预应力筋采用低松弛的预应力钢绞线，用符号As表示，直径15.2mm，fptk=1860N/mm2，其设计强度是普通螺纹钢的4.4倍，预应力筋在底板中采用抛物线布置，一条预应力筋在在柱下支座处作底筋，到了底板跨中处又作面筋，对比采用普通钢筋，预应力底板钢筋含量可减少45～65%。
图5底板预应力X向钢筋示意
四、结语
在抗浮水位较高的工程中，大面积底板中采用有粘结预应力技术：1）可以大幅减少底板厚度，进而减少水压力，从而减少底板配筋量，亦可减少基坑开挖深度，进而减少土方开挖和外运，综合经济效益十分明显。2）可以大幅提高混凝土结构的抗裂性能，节省普通钢筋用量，普通梁板结构在较大的荷载作用下，容易开裂，而采用施加预应力的结构中，会对结构产生一个约10～18kg/cm3的轴压应力，预应力板要开裂，首先需要克服这个轴压应力后，再克服混凝土的抗拉强度后才能开裂。3）采用预应力的底板施工速度快，对比布置抗浮锚杆的方案，在同等施工步骤下，采用预应力的底板在完成垫层浇筑后即可进入预应力筋的张拉施工，可以与其他普通结构施工分块流水作业，大大缩短了施工周期。4）普通的混凝土结构为了抗裂的需要，需按规范要求每隔55m左右设置伸缩后浇带，而采用预应力混凝土结构，由于存在预压的轴压应力，可以有效地抵抗混凝土的温度应力和收缩应力，使混凝土结构长度达200m亦可不设结构伸缩缝。5）由于预应力设计较为繁琐，大多数民建设计院技术力量薄弱，需预应力专业公司设计，普及推广缓慢，预应力专业施工队偏少，施工水平参差不齐，进一步阻碍了预应力混凝土结构的推广普及。
参考文献：
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[4] DBJ/T 15-125-2017 广东省标准《建筑工程抗浮设计规程》[S] 中国城市出版社，2017
论文作者:刘文聪
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第9期
论文发表时间:2018/7/30
标签：底板论文; 预应力论文; 地下室论文; 结构论文; 应力论文; 浮力论文; 标高论文; 《建筑模拟》2018年第9期论文;