某地下室抗浮設(shè)計(jì)

陳 一

(福州市建筑設(shè)計(jì)院 福建福州 350001)

引言

隨著城市的高速發(fā)展，高層建筑或超高層建筑將越來(lái)越多，大量的高層建筑物為了滿(mǎn)足人防指標(biāo)、停車(chē)位數(shù)量和整體安全性的需要，不斷加大基礎(chǔ)埋深，使地下室向多層和超深的規(guī)模發(fā)展。由于地下水的存在，基礎(chǔ)底板埋深越大，地下室結(jié)構(gòu)需要承受的水浮力作用也越大，這對(duì)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生不利影響。因此，抗浮設(shè)計(jì)是地下室設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。

本文結(jié)合一個(gè)工程實(shí)例，介紹如何應(yīng)用PKPM軟件進(jìn)行地下室的抗浮設(shè)計(jì)。

1 工程概況

本工程位于福州市馬尾區(qū)，地上三棟高層建筑，地下二層地下室，上部采用剪力墻結(jié)構(gòu)，純地下室部分采用框架結(jié)構(gòu)，地下室人防等級(jí)核6級(jí)。地下室部分建筑面積26323，大部分柱網(wǎng)雙向跨度均在8m以上。建筑正負(fù)零標(biāo)高為羅零高程8.45m，室外地面相對(duì)標(biāo)高為－0.45m，地下室頂板板面相對(duì)標(biāo)高為－1.25m，覆土800mm。底板板厚取400mm，相對(duì)標(biāo)高為－9.9m(即羅零高程－1.45m)，上設(shè)200mm厚疏水層。

根據(jù)勘察報(bào)告，本工程位于閩江江邊，場(chǎng)地地下水與場(chǎng)地邊的閩江水力聯(lián)系較密切、具隨季節(jié)呈互補(bǔ)關(guān)系特征，抗浮設(shè)防水位按設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)最高洪水位確定，為羅零標(biāo)高6.50m，常水位為羅零5.00m，抗浮水位與地下室標(biāo)高剖面關(guān)系如(圖1)。本工程基礎(chǔ)采用500徑PHC管樁，單樁豎向承載力特征值2500kN，可兼作抗拔樁，單樁抗拔承載力特征值550kN。

由于地下室深度很大，所以地下室底板承受的水浮力也很大，抗浮設(shè)計(jì)是本工程地下室設(shè)計(jì)的重中之重。

圖1 抗浮水位與地下室標(biāo)高剖面關(guān)系

2 整體抗浮驗(yàn)算

根據(jù)《基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]第5.4.3條，地下室抗浮穩(wěn)定性應(yīng)符合下式

其中GK為建筑物自重及壓重之和(正向荷載)，NWK為浮力作用值(反向荷載)，KW為抗浮安全系數(shù)，通常取1.05。當(dāng)上式不滿(mǎn)足時(shí)，可采用增加壓重或設(shè)置抗浮構(gòu)件等措施。

對(duì)于整體抗浮驗(yàn)算，有些設(shè)計(jì)人員只計(jì)算上部結(jié)構(gòu)總自重標(biāo)準(zhǔn)值大于總的水浮力設(shè)計(jì)值的1.05倍，就認(rèn)為抗浮設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求，這種做法是錯(cuò)誤的。對(duì)大面積地下室上建有多棟高層建筑的情況，建筑的自重不均勻，上部為高層的部分，由于結(jié)構(gòu)自重遠(yuǎn)比水浮力大，通常不存在抗浮問(wèn)題;純地下室部分，自重相對(duì)較小，一般情況下，結(jié)構(gòu)自重?zé)o法抵抗地下水浮力，同時(shí)各處柱的受荷面積不同，自重與水浮力的差值也不同，所以應(yīng)進(jìn)行分區(qū)、分塊的抗浮驗(yàn)算，驗(yàn)算各柱下的壓力能否平衡它所影響區(qū)域內(nèi)的水浮力總值。通過(guò)PKPM軟件我們可以輕松實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

我們可以通過(guò)PKPM建立包括底板層在內(nèi)的地下室模型，頂板層和地下一層的荷載輸入不再贅述。對(duì)于底板層，受到正反兩個(gè)方向的荷載，正向恒載為底板梁板自重及底板面層荷載;反向荷載為水浮力，設(shè)計(jì)水位取抗浮水位。其中，梁板自重PKPM會(huì)自行計(jì)算，水浮力標(biāo)準(zhǔn)值Ffk和底板面層Gm可按如下計(jì)算:

Ffk=10×(6.5+1.45)=79.5kN/m2(↑)

Gm=20×0.2=4 kN/m2(↓)

所以，我們可以在底板層恒載項(xiàng)中輸入荷載:

－79.5x1.05+4= －79.5 kN/m2，

經(jīng)過(guò)PKPM整體模型計(jì)算后，查詢(xún)各柱在恒載下的柱底力，若為負(fù)值則表示正向荷載大于反向荷載;若為正值，則可根據(jù)此數(shù)值設(shè)計(jì)抗拔樁，應(yīng)保證單根柱下布置的抗拔樁的抗拔承載力特征值之和大于該值與樁基自重之差。綜合考慮在無(wú)水浮力情況下的抗壓樁布置，可以確定本工程的樁基布置

3 地下室底板設(shè)計(jì)

本工程基礎(chǔ)梁跨度大，剛度遠(yuǎn)小于相連承臺(tái)的剛度，故計(jì)算地下室底板梁板時(shí)，可將承臺(tái)作為基礎(chǔ)梁板的剛性支座。利用PKPM建模時(shí)，將承臺(tái)按相同尺寸的柱輸入，各承臺(tái)間設(shè)一道基礎(chǔ)梁聯(lián)系，梁中與承臺(tái)中心連線對(duì)齊，在總信息中選擇不計(jì)算地震力和風(fēng)荷載，并選擇“梁柱重疊部分簡(jiǎn)化為剛域”。接下來(lái)的關(guān)鍵是荷載的確定。

作用在底板上的荷載包括正反兩個(gè)方向，在進(jìn)行底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況考慮各種荷載最不利組合。由于地下室為人防地下室，應(yīng)考慮人防和非人防兩種情況:

當(dāng)無(wú)人防荷載組合時(shí)，地下水位取抗浮設(shè)計(jì)水位。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[5]，當(dāng)可變荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力有利時(shí)，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取為0，即不考慮有利活載;根據(jù)《荷載規(guī)范》[3]中第3.2.4條規(guī)定，抵抗水浮力的自重作為永久荷載，有結(jié)構(gòu)有利時(shí)分項(xiàng)系數(shù)取1.0;在該條第3款中，“對(duì)結(jié)構(gòu)傾覆、滑移和漂浮驗(yàn)算，荷載的分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)按有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定采用”，查閱相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，只有《給排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]第5.2.2條提到了關(guān)于水浮力可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)取1.27，故本工程將水浮力的分項(xiàng)系數(shù)取1.3。

抗浮設(shè)計(jì)水位下，底板上水浮力標(biāo)準(zhǔn)值為79.5(↑)，正向恒載標(biāo)準(zhǔn)值為0.4×25+0.2×20=14kN/m2(↓)。所以非人防情況下底板荷載設(shè)計(jì)值為:1.3×79.5－14=89.35kN/m2。

在人防荷載組合時(shí)，設(shè)計(jì)水位取常水位羅零5.0m，凈水壓力標(biāo)準(zhǔn)值為10×(5+1.45)=64.5kN/m2。根據(jù)《人防規(guī)范》[4]第4.10.2 條，底板荷載設(shè)計(jì)值為:1.2 ×64.5 －14+25=88.4kN/m2。

由上可知，非人防工況下底板荷載及配筋大于人防工況，可只計(jì)算非人防工況。由于我們將荷載輸入在PKPM中的恒載項(xiàng)，故輸入荷載為89.35/1.35=66.2kN/，并在荷載定義中選擇不自動(dòng)計(jì)算現(xiàn)澆板自重。底板梁板均采用HRB400鋼筋，根據(jù)《混凝土規(guī)范》[2]第8.5.1條注2，底板鋼筋的最小配筋率為45×1.43/360=0.18%。

4 方案改進(jìn)

4.1 問(wèn)題的提出

通過(guò)以上方法進(jìn)行底板梁板配筋計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)由于水浮力較大且柱網(wǎng)尺寸較大，所以底板配筋很大。為減少配筋節(jié)省造價(jià)，擬通過(guò)把部分原來(lái)承臺(tái)間的單梁改為雙梁，如原600×1000布于兩承臺(tái)中心連線的單梁改為兩道300×1000布于承臺(tái)間樁心連線的梁，底板板厚仍取400mm不變，從而減小板跨，進(jìn)而減小配筋。取其中一個(gè)8.4m×9.5m的典型板塊，二者布置對(duì)比如(圖2、圖3)。

圖2 單梁方案基礎(chǔ)梁布置

圖3 雙梁方案基礎(chǔ)梁布置

4.2 模型修改

要實(shí)現(xiàn)以上的布置修改，原本將承臺(tái)按柱輸入的方法難以模擬，故在模型中輸入承臺(tái)中各樁連線，并在連線上布?jí)Γ瑖鸬牟糠挚赡M一個(gè)承臺(tái)，然后按新的布置輸入基礎(chǔ)梁。

模型建立后，我們首先輸入79.5的恒載，算出底板在1.05倍水浮力作用下，圍成承臺(tái)的各道墻向上的凈作用力標(biāo)準(zhǔn)值，將其相加可得每個(gè)承臺(tái)受到向上的凈作用力標(biāo)準(zhǔn)值。然后建模計(jì)算，在地下室頂板和地下一層恒載作用下，地下室各柱的柱底力標(biāo)準(zhǔn)值。二者相減的值應(yīng)小于該承臺(tái)下抗拔樁的總抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值與該承臺(tái)自重之和。經(jīng)計(jì)算，原樁基布置滿(mǎn)足要求。

4.3 單雙梁方案比較

對(duì)比單雙梁方案的梁板配筋，仍以之前8.4m×9.5m的板塊為例。單梁方案基礎(chǔ)梁配筋計(jì)算結(jié)果如(圖4)，底板配筋時(shí)考慮承臺(tái)的有利影響，輸入墻來(lái)模擬承臺(tái)，底板配筋結(jié)果見(jiàn)(圖5)。雙梁方案的基礎(chǔ)梁板配筋計(jì)算結(jié)果見(jiàn)(圖6、圖7)。

圖4 原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)梁計(jì)算配筋結(jié)果

圖5 原設(shè)計(jì)底板配筋面積圖

通過(guò)工程量統(tǒng)計(jì)，單雙梁方案的混凝土用量基本相同，底板梁板單位面積鋼筋用量如(表1)。

表1 新舊方案底板梁板單位面積鋼筋用量

圖6 新方案基礎(chǔ)梁計(jì)算配筋結(jié)果

圖7 新方案底板配筋面積圖

通過(guò)以上圖表對(duì)比可見(jiàn)，修改方案后，基礎(chǔ)梁總配筋差別不大，底板配筋每平米減少10.1kg、減少了21%，節(jié)省了造價(jià)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)在進(jìn)行地下室抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，正確分析受力及荷載取值是重點(diǎn)，合理應(yīng)用計(jì)算程序輔助，建立一個(gè)比較符合實(shí)際受力情況的模型，能使我們的設(shè)計(jì)更趨合理。

(2)承臺(tái)作為基礎(chǔ)梁的剛性支座，改單梁為雙梁后，基礎(chǔ)梁配筋基本不變，由于計(jì)算板塊跨度明顯減小，可以使底板配筋大大減小，節(jié)省了造價(jià)。施工中應(yīng)注意基礎(chǔ)梁縱向鋼筋錨入承臺(tái)內(nèi)長(zhǎng)度應(yīng)從樁邊起算，并滿(mǎn)足錨固長(zhǎng)度要求。

[1]GB50007－2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB50010－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB50009－2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4]GB50038－2005，人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]GB50068－2001，建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]GB50069－2002，給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].