壓力型預應力抗浮錨桿的設計問題探析

黃小崗

（安徽地平線建筑設計有限公司， 安徽 合肥 230061）

0 引言

隨著經濟建設的迅速發展，城市空間的緊缺，地下建筑物成為了未來發展趨勢。地下室層埋深不斷增加，地下水、地質條件錯綜復雜，加之極端天氣常態化，使得地下工程的抗浮問題越來越得到關注。抗浮錨桿由于其施工簡單、布置方便，結構受力合理以及造價較低等優點，逐步成為抗浮設計的主要手段之一。筆者結合工程實例，列出壓力型預應力抗浮錨桿設計過程中的幾個問題。

1 壓力型預應力抗浮錨桿構造

壓力型預應力抗浮錨桿是通過在錨桿底部設置承載體，并采用無粘結鋼絞線或套管螺紋鋼筋將所受外力轉化為承載體的壓力，作用于錨固體上。錨桿頂部預應力筋在底板張拉鎖定，錨固體受壓，提高桿體耐久性。壓力型預應力錨桿結構簡圖見圖1所示。

圖1 壓力型預應力錨桿結構簡圖

2 壓力型預應力抗浮錨桿應力分析

以桿體為研究對象，施工階段桿體受到的外力為基礎底板對桿頂的預壓力和預應力筋對桿體的壓力（包括承載體壓力及孔壁摩擦對桿體的向上作用力），二力平衡。

使用階段，外荷的增加與抗浮錨桿的摩阻力保持平衡。在桿項消壓之前，外荷的增加量等于底板對桿頂預壓力的減少量，底板對桿頂的預壓力與摩阻力的合力保持不變，與預應力筋對桿體的壓力依然大小相等，方向相反，保持受力平衡。

錨桿桿體頂部在施工、使用階段的應力狀態分析如下(見表1)。

表1 壓力型預應力抗浮錨桿構件各階段應力分析

注：σcon—預應力筋的張拉控制應力值；

σl—預應力損失值；

σl2-預應力筋摩擦引起的預應力損失值；

Ap—預應力筋的截面面積；

An—錨固體凈截面面積；

fpy—預應力筋的抗拉強度設計值；

錨固體在施工階段始終受壓，由于預應力損失，壓應力逐漸變小，預應力筋損失完成后，壓應力穩定。使用階段隨外荷載增大，預壓應力逐漸降低，直至消壓。當加荷至桿項消壓之后，桿體與底板脫開。

使用階段定量分析錨桿項部預應力筋在的應力變化，當錨桿所受外荷Nk N0時，即當預應力筋應力σp=σpc=Nk/Ap>σpe時，預應力筋隨應力的增加，將出現自由彈性伸長，錨固體與底板開裂，導致錨桿耐久性降低，基礎上浮。

以上分析可知，壓力型預應力抗浮錨桿在使用階段由于始終受壓，無需進行桿體裂縫控制驗算，但應考慮桿體頂端與底板之間的開裂控制，使預應力筋在使用荷載下的伸長量在施工階段完成，可通過張拉控制應力σcon實現，即σcon應滿足：

3 預應力張拉控制應力σcon的確定

預應力筋在施工階段由于預應力的損失，拉應力逐漸變小，損失完成后應力穩定，應力由σcon降為σpe=σcon-σl+σl2(桿頂)。使用階段隨外荷的增加，在桿頂消壓之前，應力保持不變。加荷至桿頂消壓之后，拉應力開始增大，直至達到屈服破壞。所以根據表 1，錨桿預應力張拉控制應力σcon=σpe+σlσl2。

4 錨桿設計內容

4.1 錨桿抗拔承載力計算

式中:Rt一錨桿極限抗拔承載力標準值(kN)；

d—錨桿錨固體直徑(m)；

la—錨固體長度(m)；

frbk一錨固體與巖層的極限粘結強度標準值(kPa)；

ξ—經驗系數，可取0.8。

式中:Nka—抗浮錨桿抗拔承載力特征值(kN)；

Rt—錨桿抗拔極限承載力標準值(kN)。

4.2 錨桿筋體受拉承載力

式中Nt—荷載效應基本組合下桿頂軸向拉力設計值；

fpy、Ap—分別為預應力筋的抗拉強度設計值、截面面積；

Kt—錨桿筋體抗拉安全系數,取2.0。

4.3 錨桿頂部開裂控制計算

(4)承載體局壓區承載力驗算

式中：Nt—荷載效應基本組合下桿頂軸向拉力設計值；

fck—桿體軸心抗壓強度標準值；

η—有側限錨固體抗壓強度增大系數；

Aln-漿體受壓凈面積,為承載體與漿體的接觸面積扣除筋體截面積之后的面積。

5 工程實例

5.1 工程概況

某住宅小區工程位于河南省商城縣，場地地形高差較大，崗丘地貌，上部有10棟高層住宅，層數分別為21F～25F。兩層地下室，層高分別為3.6m（-1F），3.5米（-2F），地下室剖面圖見圖2所示。室外場地絕對高程88.60，基底絕對標高79.70，抗浮設防水位85.55，水頭高度△h=5.85m。抗浮設計等級甲級，抗浮穩定安全系數Kw=1.1。

圖2 地下室剖面圖

5.2 抗浮錨桿設計

5.2.1 整體穩定性驗算

根據《建筑工程抗浮技術標準》JGJ476-2019第3.0.3條，

式中 ：G—建筑結構自重、附加物自重、抗浮結構及構件抗力設計值總和(kN)；

Nw,k—浮力設計值(kN)；

Kw—抗浮穩定安全系數，本工程取1.1。

地下室整體穩定性計算中的抗浮力見表2。

表2 整體穩定性計算的抗浮力匯總表

水頭高度△h=5.85m ,Nw,k=58.5Kpa

G/Nw,k=50.37/58.5=0.861<1.1，

抗浮穩定性不足，需增設抗浮構件。根據以上結果，抗浮構件單位面積需提供的抗拔力特征值應為R=58.5*1.1-50.37=13.98kpa。由于標準柱網為7.8x6.25米，采用單個柱墩下布置兩根錨桿，單根錨桿的承載力特征值為Nka=350KN。

5.2.2 地質情況

根據勘察報告，底板下土層分布依次為：

③層粉質粘土，硬塑，底板下厚度 3.5～4.0米；④層全風化花崗巖，標準貫入試驗擊數21.0-29.0擊，層厚2m左右；⑤層強風化花崗巖，重型動力觸探試驗擊數32.0-50.0擊。

5.2.3 抗拔承載力計算

根據當地施工經驗，錨桿直接取值180mm，按照公式1、公式2計算，錨桿總長度10米，其中自由段長度4.0米，錨固段長度6米。

5.2.4 桿體強度驗算

預應力筋采用PSB1200預應力螺紋鋼筋φT32 ,Ap=804mm2，屈服強度標準值fpyk=1200MPa，抗拉強度設計值fpy=1000Mpa，按公式3計算，Ap≥700 mm2，按公式4計算，1.2σcon=783 N/mm2＜1000 N/mm2。

5.2.5 錨桿頂部開裂驗算

σpk=Nk/Ap=350KN/804 mm2=435N/mm2

當預應力錨桿張拉控制荷載取1.5倍錨桿抗拔力特征值時，鋼絞線張拉控制應力值σcon= 653 N/mm2,參考相關規范及現場施工經驗，σl、σl2分別取290 N/mm2、100 N/mm2，由公式 5，

σcon-σl+σl2=463 N/mm2＞435N/mm2=σpk

5.2.6 承載體局壓區承載力驗算

桿體直徑為 180mm，承載體直徑為 120mm，筋體直徑 32mm，則A1n=12462mm2，η取2.0，fck=30 N/mm2

ηfckA1n/2=2*30*12462/2=373KN≥Nka=350KN

6 結語

以上是筆者對預應力錨桿設計的幾個問題簡單探討。錨桿設計時需要根據地質條件、地下水分布及工程特性，綜合考慮方案選擇。同時也應結合相應的試驗數據進行驗證可靠性，做到做到安全適用、技術先進、經濟合理。