摘要：本文以郑州某三层地下空间结构设计为背景，对顶板大面积开洞的结构抗浮进行计算分析。基于三维有限元模型计算，得到抗浮工况下结构变形特征，提出了基于变形协调的结构抗浮设计目标，论述了该抗浮目标方案的建议，可为后续类似工程设计问题提供参考。
关键词：地下空间；大开洞；结构抗浮；变形协调；
1、引言
结构抗浮设计是地下空间设计的重要内容，有时甚至决定围护或主体结构方案。常用抗浮方法主要有自重抗浮(含压顶、挑土)和抗拔桩/锚索抗浮等。自重抗浮通过增加结构自重或通过基坑围护结构牛腿压住结构外墙或底板外挑等达到抗浮目的，在自重和压重无法满足抗浮要求时，可设置抗拔桩/锚杆进行抗浮[1,2,3]。
抗浮计算存在断面/局部分析和整体分析两种方式。局部分析，截取结构抗浮不利的部分区域/断面进行计算验证；而整体分析则是在部分区域不能满足抗浮要求时，对结构整体进行抗浮计算，整体满足要求时，加强分界处的结构刚度即可[1]。如：地铁出入口通道，其口部是逐渐抬高的，局部不满足抗浮要求，但整体可满足时，加强连接处的刚度，使得变形满足要求即可。
2、工程背景
本文的三层人防地下空间，平面尺寸约166x116(图示不仅部分)m,顶板覆土厚度约3m，正常可满足抗浮要求.但在-1层建筑设计了2个相邻的下沉广场，导致顶板存在2个约58x23m的洞口，两洞口仅相隔8m，实际效果接近单个115x23m的超大洞口，结构抗浮设计不宜按常规设计方法。
该地下空间采用明挖顺做+盖挖逆做结合的施工方法，顶板开洞区域一半位于逆筑区，一半位于明挖顺做区，其中逆筑区已按照一柱一桩布置了?1500mm，37m长的立柱桩基兼做抗拔桩。顺做区则根据计算确定布桩。
本文通过局部统计和三维分析两种方法进行结构抗浮计算分析。
3、抗浮计算
3.1大开洞局部抗浮计算
结构抗浮目标安全系数：不考虑结构与土层摩阻力时，按1.05控制；考虑与土体摩阻力时按照1.15控制。
局部抗浮采用分区统计方法，即以大开洞区域北侧往外扩一跨为界，对范围内的结构永久荷载进行统计。
经统计计算，顶板大开洞区域总浮力744513.3kN，总抗浮力630919.7kN，抗浮安全系数仅0.847。明挖区按照一柱一桩的方式设置1500mm直径抗拔桩，经计算单桩需提供抗浮力2932kN，需桩长24.5m。非大开洞区域单桩抗浮力1714.6kN。
由于本工程开洞面积大，而分区统计计算的方法不能反映抗浮变形、抗浮桩刚度的不均匀分布，以及不均匀变形对结构的不利影响。
3.2三维整体抗浮计算
为反映抗浮工况下，结构不均匀变形特征及其不利影响，建立SAP2000三维整体模型，对抗浮工况进行内力和变形分析。
桩基对结构约束采用拉压弹簧模拟，对于弹簧刚度，采用迭代法计算确定：即设定结构上浮位移差值目标为10mm，初始刚度为单桩抗拔力特征值/位移，故根据抗浮统计计算，一半区域弹簧初始刚度1714.6/0.01=171460 kN/m，大开洞区域弹簧初始刚度2932.3/0.01=293230 kN/m。
第一次迭代计算，大开洞区域实际最大位移11.2mm，一般区域位移均在0~2mm以内，差异沉降梯度约0.92mm/m，与跨度比值约0.13%。故调整大开洞区域弹簧刚度k=293230*11.2/10=328420 kN/m。
第二次迭代后，大开洞区域最大上浮位移10.5mm，最大抗拔力3196kN，大开洞区域平均抗拔力约2900kN，与分区统计结果接近。
为进一步降低上浮变形不均匀，对上浮位移较大的开洞中心区，采用在板块中心增设一根抗拔桩的加密处理方式(如图2中粗线圆示意)，最终得到最大上浮位移7.5mm，抗浮安全系数1.15。对于一般区域，底板整体呈向下位移，位移量0~2mm，在框架柱处位移稍大，约-(4-5)mm,板跨中部位移接近于零。
3.3结果分析
对于顶板大开洞区域，手工统计计算单桩抗拔力2932kN，(未加密时)三维整体计算得到平均单桩抗拔力2900kN，比较接近。
三维计算显示，大开洞区抗拔桩抗拔力和上浮位移差异较大，开洞中心区域向边缘区域位移逐渐减小至零，形成的位移梯度/差异，作用产生的附加弯矩大约320kN.m。通过降低大开洞区域的位移差，上浮位移引起的附加荷载可降低到约90kN.m。通过加密抗拔桩，可减小有效跨度，进一步减少结构内力。
对于本工程，如开洞区域减小，可以在满足整体抗浮安全系数前提下，利用结构刚度进行协同抗浮而不必对开洞区域进行特殊处理。
4、结论
本文提出针对结构板块大面积开洞的结构抗浮设计时，以变形/差异变形为目标的设计方法，对于该方法有如下建议：(1) 对于板块大开洞的抗浮计算方法，除手工统计计算，宜进一步采用三维计算进行验证。(2)除满足整体安全系数要求，对于结构开洞区域，还应关注结构的差异变形，对于开洞区域与周边区域差异沉降较大时，应采用措施使浮力作用下的变形协调，降低结构附加内力。(3)如进一步追求经济性，可在大开洞区域抗浮安全系数达到1.0左右时，利用结构整体刚度使开洞区域内、外的结构共同参与抗浮来满足整体抗浮安全要求，从而提高经济性。
参考文献
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[2]康信江，王雯，地下室抗浮中抗拔桩（锚杆）设计的若干问题[J]江苏建筑，2018.2，（189）：57-59.
[3]罗佑新,王 宁,张 哲, 抗浮锚杆与地下室底板共同工作受力规律研究及设计建议[J]建筑结构,2018.1,48(1),97-100.
论文作者:黄国发
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/9
标签：开洞论文; 结构论文; 位移论文; 区域论文; 刚度论文; 顶板论文; 安全系数论文; 《防护工程》2019年9期论文;