深圳市联合创艺建筑设计有限公司 广东深圳 518038
摘 要：随着城市的建设和发展，地下建筑物的建设项目越来越多，其抗浮问题也越来越突出，尤其是在滨海地区，由于地下水位高，当建筑物的自重和地面回填土的重量不能平衡地下水浮力时，就必须采取抗浮措施。由于基础的抗浮问题没处理好而引发的工程质量事故时有发生，在这些事故中，有的地下室底板隆起，导致底板破坏；有的建筑物整体浮起，导致梁柱节点处开裂及底板破坏，造成了严重的经济损失。有些项目则因为设计人员对抗浮方案考虑不成熟，采取了非常保守的抗浮措施，造成了严重的经济浪费。所以选择合理的地下室底板和抗浮方案，可使建筑结构设计更为安全合理，工程造价更为经济。
关键词：建筑结构优化设计；抗浮优化设计；底板布置优化；锚杆布置优化
1 导言
地下工程的常见抗浮措施有压重法、抗拔桩或抗浮锚杆。压重法是通过加大混凝土底板厚度，浇筑大量的压载混凝土来平衡水的浮力，但经济上很不合理；抗拔桩可采用预应力管桩、人工挖孔灌注桩或机械钻孔灌注桩。采用桩抗拔，需很厚的底板才能抵抗地下水浮力产生的弯矩和剪力，底板的混凝土及钢筋用量均较大，造价高；而抗浮锚杆的锚固直径小，单锚提供的抗拔力比抗拔桩小，但抗浮锚杆采用高压注浆工艺，浆液能渗透到岩土体的空隙及裂隙中，锚侧的摩阻力比抗拔桩大，更有利于抗浮，可有效减小地下室底板的厚度和配筋。因抗浮锚杆受力合理、施工便捷及造价较低而在许多工程建设中得到广泛使用。本文就建筑结构抗浮优化设计在实际工程中的应用进行分析和阐述，以供相同项目的抗浮优化设计参考。
2 工程概况
本项目位于深圳市龙岗区，建设用地面积为52785㎡，总建筑面积为270940㎡。地下室建筑面积为85537㎡，3层地下室，局部带有两层半地下室，地上共有15栋高层住宅塔楼。由于项目依坡地而建，场地标高变化大，且地下室占地面较大，所以勘察将地下室划分为六个不同区域，分别给出了不同的抗浮设计水位，最大抗浮设计水头达到了23m。
3 原结构地下室抗浮设计
原地下室底板采用了传统的梁板式布置。本文取地下室底板水浮力最大（最下端）的部位进行分析，此区域最大底板厚度为800mm，最大地梁截面为900x1400，原底板板面钢筋为18@160，板底钢筋20@150双层双向通长布置，板底支座处另附加钢筋，局部地梁和板配筋。
原塔楼采用预应力管桩和机械冲孔灌注桩，抗浮设计水位较小，裙楼基础抗拔采用预应力抗拔管桩，桩端持力层为强风化凝灰质砂岩；抗浮水位较大裙楼部分抗拔采用机械冲孔灌注抗拔桩和抗浮锚杆。单根锚杆抗拔力特征值为Rt=400KN，终孔直径为150mm；锚杆长不小于22m，且应进入强风化花岗岩上层不小于6m。
4 结构地下室抗浮优化设计
抗浮设计中常用的锚杆布置方式有两种，一是集中点式布置，二是面状均匀布置，集中点式布置是将锚杆布置在桩周边，变形基本一致，抗拔力也基本平衡，而防水板则依靠自身的刚度抵抗水浮力，当水浮力为控制荷载时，底板配筋很大，锚杆的作用为充分发挥，工程造价高，不经济；面状均匀布置可以充分发挥锚杆的作用，有效地减少底板厚度和配筋，节约造价。
原地下室底板采用了传统的梁板式布置，抗浮采用了抗拔桩+抗浮锚杆设计，结构抗浮虽然采用了面状均匀布置抗浮锚杆，但由于未按照“抗拔桩-抗浮锚杆-底板”的共同作用进行受力分析计算，只是将水反力按照正向荷载布置在结构底板上进行计算，锚杆也是假设每根锚杆承受的抗拔力是均衡的前提下来布置的，与实际受力情况不符，而传统的梁板式底板布置导致结构地下室底板梁板配筋都很大。给现场的施工带来了很大的麻烦，也给工程造成了很大的浪费。
实际上每根锚杆布置的位置不同，随底板共同产生的变形以及由此产生的抗拔力也不同，如果锚杆布置不当，会引起个别锚杆超过最大抗拔力，导致锚杆失效；也有可能引起个别锚杆抗拔力过小，造成浪费。
需对原结构底板及锚杆进行优化布置：取消原底板地梁；减小100mm底板厚度；重新优化锚杆布置后用盈建科软件按照“抗拔桩-抗浮锚杆-底板”的共同作用进行受力分析计算。本项目此区域底板承受的水浮力非常大，最大值达到230KN/㎡。为了使每根锚杆都能充分发挥作用，又能减少底板配筋，降低工程造价，应根据实际受力情况布置锚杆，将锚杆相对布置在底板跨中，可以有效地减小板跨度，从而减小底板钢筋量，降低工程造价。优化后的局部底板及锚杆布置图详见图1.
本文采用盈建科软件进行计算，因抗浮锚杆抗拔刚度有限，不能将抗浮锚杆作用处当支座处理，软件用弹簧来模拟锚杆，将抗浮锚杆简化为特定刚度的弹簧，锚杆只具备抗拔刚度，要合理设置抗拔刚度，不宜过小或过大，否则计算的抗拔力失真，起不到抗拔作用，一般需现场试验数据。前期计算锚杆抗拔刚度可按照锚杆承载力设计值/允许位移（10mm）估算初始抗拔刚度，抗压刚度设置为0；在弹性地基梁模型的计算中，墙柱作为竖向不动的固定支座，在有抗浮锚杆的倒楼该模型中，防水板要用筏板模型（可以将筏板基床系数设置为0，保留独立基础和承台的基床系数，详见图2。计算分析选择非线性分析）， 计算模型是弹性地基梁模型，锚杆的刚度和基床系数都是弹性的，同时起作用。
地下室底板在水浮力与底板自重差值作用下的变形使得抗浮锚杆产生变形，进而产生拉力，而抗浮锚杆对地下室的拉力又反过来约束了底板的变形，引起地下室底板的变形和次应力的变化。因此，在设计时要考虑他们之间的共同作用。经盈建科软件计算后可得到每根锚杆的竖向反力图。底板的配筋大部分为构造配筋即可，边跨及局部板跨较大区域另行附加钢筋即可。
5 结语
在项目设计阶段必须充分结合实际情况并选择科学合理的地下室底板和抗浮方案，按照“抗拔桩-抗浮锚杆-底板”的共同作用进行受力分析计算，三者一起分担浮力，将锚杆与主体结构变形协调的问题作为设计考虑的必要条件，并根据计算结果对锚杆作出相应优化，可使结构抗浮设计更为安全合理，工程造价更为经济。
参考文献
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[3] 黄山. 抗浮锚杆与地下室底板共同作用分析[J].工程建设与设计,2013(1)：127-129.
论文作者:林建刚
论文发表刊物:《建筑实践》2019年10期
论文发表时间:2019/9/2
标签：底板论文; 锚杆论文; 地下室论文; 刚度论文; 浮力论文; 结构论文; 钢筋论文; 《建筑实践》2019年10期论文;