抗浮錨桿在基礎底板中錨固問題的探討

劉育博

(四川省建筑設計研究院，四川成都 610000)

1 問題的提出

近年來隨著城市化進程的不斷深入，土地資源有限的情況下，人們對地下空間的利用愈發重視[1]。城市建筑的地下室層數越來越多，地下室承受的地下水浮力也大幅增加，對廣大結構工程師而言，地下室抗浮設計便成為基礎設計中重要的一個環節。

1.1 體抗浮問題

抗浮設計首先需要解決的是整體抗浮問題，即地下室是否會被地下水浮起來的問題，須進行抗浮整體穩定性驗算，計算方式如下：

GK/NW,K≥KW[2]

(1)

公式(1)中：GK為建筑物自重及壓重之和(kN)；NW,K為浮力作用值(kN)；KW為抗浮穩定安全系數，一般情況下可取1.05。值得注意的是當結構部分區域重量較其它區域輕(如樓層板開大洞或板面恒載較少)時，須對該區域進行附加整體抗浮計算。當按照公式(1)計算無法滿足要求時，則需要采取抗浮措施(增加配重，設置抗浮錨桿等)以保證基礎安全[3]。計算公式如下：

GK/KW+nR≥NW,K

(2)

公式(2)中：n為抗浮錨桿數量；R為錨桿抗浮承載力特征值。其余符號意義同公式(1)。

1.2 局部抗浮問題

局部抗浮問題，即底板在浮力下的承載力設計問題。具體而言就是地下室底板按照承受的水浮力進行正常使用極限狀態及承載能力極限狀態設計。目前各大主要軟件在此方面功能較為完善，具體細節本文不再展開贅述。

抗浮錨桿設置于底板以下土層中，并可靠錨固在基礎底板內，依賴土層與錨桿錨固體之間的粘接強度提供抗拔承載力[3]，主要是解決地下室的整體抗浮問題。目前四川地區抗浮錨桿設計大多歸于巖土工程專項設計，流程是由結構設計單位提供地下室需要補充的抗浮力，專項設計單位(一般為地勘單位或巖土公司)根據該數據進行抗浮錨桿專項設計。正是由于這種特殊性，使得結構設計工程師很少注意最終錨桿設計的直徑、根數、布置間距，而錨桿設計工程師也并不考慮底板的厚度是否能夠滿足錨桿的有效錨固，最終可能造成抗浮錨桿直線段錨固長度不足，使得抗浮錨桿設計普遍存在一定的安全隱患。

2 工程實例

某辦公樓位于成都市青羊區，由筆者完成結構設計。地下1層，地上5層，框架結構，典型柱網為8.1 m×8.1 m，地下室范圍較主樓范圍外擴1～2跨。主樓由于層數較多，自重遠超過水浮力，不存在整體抗浮問題，不需要設置抗浮錨桿；純地下室由于自重不足需要滿堂設置抗浮錨桿。圖1為典型柱網平面及錨桿布置圖，基礎形式采用柱下獨立基礎加防水板，防水板厚度450 mm。基礎圖中明確要求，純地下室范圍需進行抗浮錨桿專項設計，抗拔承載力特征值為55 kPa。

圖1 典型柱網及錨桿平面

圖2 錨桿詳圖

筆者在查看了專項設計圖紙后，發現抗浮錨桿設計存在一個較大問題，即錨桿鋼筋在底板的直線錨固長度不足。根據現行GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》第8.3.3條的要求，當縱向受拉普通鋼筋末端采用彎鉤或機械錨固措施時，包括彎鉤或錨固端頭在內的錨固長度(投影長度)可取基本錨固長度lab的60 %[4]。也就是說，在鋼筋強度充分利用的情況下，受拉錨固直錨段任何情況都需要0.6lab，否則即使附加錨固措施做得再多，也無法保證錨固效果。對本工程的錨桿而言，0.6lab=0.6×35×25=525 mm。錨桿設計圖僅要求總錨固長度達到35d，扣除板面20 mm厚保護層、板面雙向鋼筋網28 mm后，實際直錨段僅為402 mm，大大低于規范值。

3 解決方案

為解決抗浮錨桿直線段錨固不足的問題，筆者考慮以下3種方案，并把3種方案的優劣整理出來進行對比，供廣大工程師參考。

3.1 底板整體加厚法(方案一)

該方法是最易想到的辦法，優點顯而易見，即施工方便、快捷。具體優勢體現在土方開挖、建筑防水做法、鋼筋綁扎成型都非常直接。缺點也很明顯，工程量大幅增加，成本顯著提高。以本工程為例，直錨段長度525 mm，考慮到底板板面保護層厚度20 mm、板面雙向鋼筋網厚度28 mm，需要將底板加厚至600 mm。增加的工程量包括土方、混凝土用量、鋼筋用量。

3.2 底板局部加厚法(方案二)

這是筆者能夠想到的第二種方案，做法見圖3。即在每個錨桿位置增設一個局部加厚區，加厚區的水平尺寸不宜過小，否則沒有實際意義。其基本原理上可理解為底板必須具有足夠的抗拉剛度，以成為錨桿的受拉支座。筆者建議可參照基礎抗沖切的基本原理，即以錨桿向下沖切底板形成的水平尺寸為加厚尺寸。

圖3 底板局部加厚做法

3.3 錨桿頂部增加鋼筋法(方案三)

錨桿直線錨固段長度不足是由于受力縱筋直徑較大引起的，如果能夠把錨桿的直徑降低、根數增加，便可把問題徹底解決。于是筆者考慮在錨桿頂部用等面積的小直徑鋼筋置換原錨桿鋼筋。具體做法見表1。

表1 錨桿鋼筋置換

圖4 錨桿頂部增加鋼筋做法

4 綜合對比分析

文中所述的解決抗浮錨桿在底板錨固直線段錨固不足的方法均為可行的方案。為了更好的指導工程設計，筆者將這幾種方式的經濟性進行對比，供廣大工程師參考。以本工程為例，統計單束錨桿負荷范圍內(2 m×2 m)的工程造價的增加量(限于專業原因，下表僅計入材料費)。結合目前市場情況，筆者了解到成都市HRB400鋼材價格約為4 500元/t，C30混凝土價格約為450元/m3，土方開挖費用暫按照30元/ m3考慮。

從表2中可以看出，方案一盡管施工方便，但成本增加太多，一般情況下不推薦采用；方案二成本增加不顯著，但施工難度太大，附加工作量過多，需要工程師斟酌后使用；方案三的經濟效益最顯著，從施工難度上而言適中，推薦使用。但客觀上講鋼筋的焊接工作量比較大，建議該部分工作在錨桿制作時焊接到位，盡量避免工地現場實施，否則困難較大。

表2 錨桿錨固方法的經濟性比較

5 結束語

本文開篇簡述了地下室抗浮設計的基本思路，結合目前抗浮設計的現狀，即抗浮錨桿設計存在錨固不足的安全隱患，以實際工程為切入點，詳細分析錨桿直線段錨固不足的成因后，提出三種不同的解決方案，指出各方案優缺點并對其經濟性進行對比，最終推薦“錨桿頂部增加鋼筋法”來解決抗浮錨桿直線段錨固不足的問題，供廣大工程師參考。