地下室底板抗浮計算常見問題研究

文/楊宏軍，湖南省建筑工程集團(tuán)設(shè)計研究院

在建筑地下室設(shè)計過程中，常需要考慮抗浮問題，而在這一過程中，抗浮計算是重要環(huán)節(jié)，應(yīng)引起相關(guān)人員的高度重視，以此保證抗浮設(shè)計的合理性與可行性，保證地下室結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量。

1 工程概況

某工程建于市中心，為地上三層住宅建筑，設(shè)1層地下室，建筑上部結(jié)構(gòu)為框剪結(jié)構(gòu)，地下室為框架結(jié)構(gòu)。主體基礎(chǔ)為人工挖孔樁，地下室基礎(chǔ)為獨(dú)立基礎(chǔ)，輔以抗水板。建筑地下室底板實(shí)際標(biāo)高為-5.200m，其抗浮設(shè)計水位與室外地坪標(biāo)高相等，為-0.160m；建筑地下室結(jié)構(gòu)頂、底板厚度分別為200mm和300mm，上部覆土厚度為600mm。現(xiàn)圍繞本工程實(shí)際情況，對其地下室結(jié)構(gòu)底板抗浮設(shè)計作如下深入分析。

2 地下室底板結(jié)構(gòu)設(shè)計

如果地下室的地下水位相對較高，則要在底板結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中進(jìn)行抗浮設(shè)計與計算，水浮力對結(jié)構(gòu)的作用如圖1所示。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要采用PKPM軟件，其主要設(shè)計方法與流程如下。

圖1 水浮力對結(jié)構(gòu)的作用

2.1 荷載的計算與輸入

底板所受荷載由兩部分組成，即為正、反向荷載，其中，正向荷載有梁板自重、上隔板與面層等主要恒載與活荷載；而反向荷載主要是水浮力。底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮工程的實(shí)際狀況，分析不同荷載的組合，尤其是最不利組合[1]。考慮到本工程地下室底板下伏巖土條件相對較好，以粉質(zhì)粘土為主，承載力的特征值取210kPa，故正向荷載主要由底板經(jīng)土體來承擔(dān)，僅考慮反向荷載及其組合。底板地中及水浮力的標(biāo)準(zhǔn)值經(jīng)計算分別為7.5kN/m2、52.5 kN/m2。

因板體配筋計算過程中，將恒載的分項(xiàng)系數(shù)確定為1.2，將活荷載的分項(xiàng)系數(shù)確定為1.4，按現(xiàn)行規(guī)范，如果永久荷載屬于有利荷載，則其分項(xiàng)系數(shù)確定為1.0；按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如果可變荷載效應(yīng)有利于構(gòu)件自身承載力，則其分項(xiàng)系數(shù)為0；基于此，該工程輸入恒載取6.2 5kN/m2，而輸入活荷載取52.5kN/m2。考慮到恒載的方向?yàn)橄拢c水浮力方向相同，故在底板計算過程中，將輸入的荷載確定為-6.2 5kN/m2與52.5kN/m2，根據(jù)倒置樓蓋實(shí)施分析計算，應(yīng)注意，軟件還無法計算在組合以后得到負(fù)值的實(shí)際情況。

2.2 承臺模擬輸入

使用軟件對底板進(jìn)行計算時，要注意不得在原模型上計算，應(yīng)單獨(dú)建立計算模型；對于柱尺寸，一般按照相同承載尺寸進(jìn)行輸入，并選擇不考慮風(fēng)荷載與地震力作用的選項(xiàng)，以及將梁、柱之間的重疊簡化考慮成剛域，以此保證和實(shí)際情況相符，避免產(chǎn)生誤差與浪費(fèi)。按現(xiàn)行規(guī)范，在迎水面上，其鋼筋的保護(hù)層厚度應(yīng)達(dá)到50mm以上。基于此，選擇參數(shù)時，需將梁體保護(hù)層厚度確定為50mm。

利用以上模型進(jìn)行計算，可基本滿足要求，而對撓度與裂縫有較為嚴(yán)格的控制。根據(jù)輸入的荷載，將標(biāo)準(zhǔn)組合值確定為46.25kN/m2，比實(shí)際值大。施工圖設(shè)計過程中，可采用以上結(jié)果配筋，并根據(jù)倒置樓板進(jìn)行處理：底板上部鋼筋直接按照配筋計算結(jié)果確定，在雙向予以拉通；而底板下部鋼筋應(yīng)按照根據(jù)跨中配筋要求在雙向布置貫通鋼筋，并在支座板的底部布置附加鋼筋[2]。

2.3 基礎(chǔ)梁分析計算

對于基礎(chǔ)梁的分析和計算，可使用底板模型，而且其荷載輸入也和底板完全相同，此時也存在對撓度與裂縫有較為嚴(yán)格的控制問題，由于基礎(chǔ)梁的配筋主要受裂縫控制，若實(shí)際值和標(biāo)準(zhǔn)值相差較大，則會產(chǎn)生浪費(fèi)。在基礎(chǔ)梁的計算過程中，可借助以下方法進(jìn)行處理：在進(jìn)行計算時，將恒載的輸入確定為-7.5kN/m2，即不再考慮1.2的分項(xiàng)系數(shù)，而輸入的活載則保持不變，仍取52.5kN/m2，在此基礎(chǔ)上，于SATWE當(dāng)中，將恒載對應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)確定為1.0，將活載對應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)確定為1.4。采用以上方法后，計算得出的配筋結(jié)果將與實(shí)際情況更加貼近。

3 整體抗浮驗(yàn)算

通常情況下，主體上部結(jié)構(gòu)的自重將遠(yuǎn)大于水浮力，所以無需對使用階段的抗浮實(shí)施整體驗(yàn)算；而需要在施工過程中進(jìn)行，也就是通過計算確定當(dāng)施工至哪一層時，自重會比水浮力大；進(jìn)而在說明中準(zhǔn)確標(biāo)出降水措施，以此在對該層進(jìn)行施工時，停止降水，避免地下室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生上浮等問題，防止其發(fā)生破壞[3]。

考慮到本工程地下水位相對較高，且地下室實(shí)際埋深很大，所以結(jié)構(gòu)自重難以完全抵消水浮力，應(yīng)重視抗浮驗(yàn)算。如果抗水板無法滿足抗浮要求，則可采用抗拔或壓重的方法。其中，壓重是指在板表面或頂板處進(jìn)行覆土壓重，以此有效抵抗水浮力；而抗拔是指采用錨桿與抗拔樁等措施來有效抵抗水浮力，錨桿受力如圖2所示[4]。

水浮力的標(biāo)準(zhǔn)值經(jīng)計算為52.5kN/m2，抗浮力由覆土、頂?shù)装濉⒘褐鬯愫奢d四部分構(gòu)成，經(jīng)計算，結(jié)果為27.3kN/m2，可見，水浮力明顯大于抗浮力，所以必須施以抗浮設(shè)計。地下室基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)，輔以抗水板，結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中已經(jīng)根據(jù)最大水位，按照倒置樓蓋進(jìn)行分析計算，使水浮力能傳遞到基礎(chǔ)梁，然后傳遞到基礎(chǔ)，所以應(yīng)采用錨桿來提高抗浮力。以柱距為依據(jù)，對基礎(chǔ)受到的水浮力進(jìn)行計算，比如，最大柱距為8.4m，則水浮力經(jīng)計算為1778kN[5]。

圖2 錨桿受力

因當(dāng)抗浮水位與室外地坪保持相平時，水壓力將停止增加，即保持不變。對抗浮進(jìn)行驗(yàn)算時，可變荷載及其組合將直接控制水浮力，其分項(xiàng)系數(shù)確定為1.2；在錨桿抗浮設(shè)計過程中，所用錨桿的截面積應(yīng)按照規(guī)范計算確定，經(jīng)計算，錨桿抗拉強(qiáng)度可達(dá)360N/mm2，考慮到受拉構(gòu)件抗拉強(qiáng)度超過300N/mm2時，均按300N/mm2考慮，故錨桿的抗拉強(qiáng)度也取300N/mm2。

4 結(jié)束語

綜上所述，抗浮設(shè)計過程中，需要充分注意受力分析與荷載輸入，以及相關(guān)軟件的使用，構(gòu)建與實(shí)際受力狀況完全相符的模型，這是做好結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵所在。以上提出了在抗浮計算過程中應(yīng)該重視的問題，為類似工程的設(shè)計工作提供可靠參考借鑒。