建筑結構抗浮設計分析

李澤蘭，趙青羽，丁國治，劉伯江，尹海松

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100176）

1 建筑結構抗浮設計必要性

建筑結構中抗浮設計主要集中在地下。受到地下水影響，建筑工程穩定性受到影響。以某2 層獨立地下車庫為例，實際施工設計與作業中，建筑結構存在明顯的上浮情況，根據建筑觀察記錄資料可知，結構上浮高度最高達到1.42 m。不僅如此，結構主體還出現各種問題，如梁、板等出現明顯的裂縫等現象。柱間板裂縫存在極大的破壞性，直接威脅到結構主體的安全。在這種情況下，若不能及時對建筑結構開展抗浮設計，將會為結構主體安全埋下隱患[1]。

建筑結構抗浮設計是建筑結構質量與安全保證的基礎。結合地下水位變化情況，及時展開計算，尤其是建筑物承受浮力方面，在設計中要精準到具體數值，嚴格控制設計與施工過程[2]。當前常用的抗浮設計，主要從建筑整體角度出發，科學平衡自重。除此之外，還會對建筑結構承受的重量進行分化，維持整體結構的平衡性。建筑結構中抗浮設計的展開，不僅需要專業的知識，同時也需要有豐富的經驗，從2 方面優化抗浮設計：整體抗浮和局部抗浮。地下水變化對浮力的影響較大，設計過程中需要全方位計算，及時對建筑結構抗浮設計方案做出調整，保證抗浮設計的作用發揮到最大[3]。

2 建筑結構抗浮設計問題

首先，整體抗浮失效問題。建筑結構抗浮設計期間，項目本身所體現出的自重，如果比地下水浮力小，則會受到地下水浮力的影響，建筑結構會出現明顯的偏移情況，主體結構安全受到威脅[5]。尤其是汛期，受到降雨影響，地下水位出現明顯變化，迅速升高，突破建筑結構所設定的抗浮防水標準，會出現明顯的整體抗浮失效現象。當然設計期間受到勘察數據等的影響，抗浮設防水位的判斷并不是很精準，也會增加整體抗浮失效現象出現的風險。一旦建筑結構出現整體抗浮失效，主體結構會發生明顯位移，同時標高也會出現異常。雖然不會對建筑結構造成很大程度的損壞，但是依然會出現比較多的無害裂縫，若不能及時處理，必然會影響到建筑結構的壽命。

其次，局部抗浮失效問題。該問題的出現，主要是因為建筑結構本身所承載的自重超過地下水浮力，局部承載力下降，影響結構整體穩定性，繼而出現一系列局部抗浮失效現象。當前的建筑結構施工中，因為施工設計中對抗浮設計規劃不到位，尤其是對抗彎承載力方面的計算不精確，加上施工條件的影響，導致局部穩定性出現波動，出現局部抗浮失效，威脅建筑結構安全。

最后，局部與整體抗浮失效問題。局部與整體抗浮失效問題，即受到地下水的影響，同一個建筑結構中同時出現局部抗浮失效與整體抗浮失效。多數建筑結構施工中，經常出現抗浮失效的情況，尤其是地下車庫或者地下倉儲建筑等，出現了嚴重的底板破壞或者防水性能下降現象，從而導致局部與整體抗浮失效。該問題的出現會加劇建筑結構裂縫問題。

3 建筑結構抗浮設計中的抗浮驗算

1）建筑結構的平均自重。建筑結構自重計算中，涉及2 方面因素：上覆土體質量和混凝土結構自重。建筑結構平均自重計算中，根據式（1）進行計算：

式中，G 為建筑結構自重，kN；γ 為構件材料重度，kN/m3；V 為構件體積，m3。

2）浮力計算。以全埋式地下結構為例，浮力計算公式為：

式中，P 為單位面積水浮力，kN/mm2；γw為水的容重，kg/m3；H為水頭高度，m；H抗浮水位為抗浮水位標高，m；H基礎底部為基礎底部標高，m。

4 建筑結構抗浮設計具體方法介紹

建筑結構抗浮設計中，結合上述抗浮設計中存在的問題以及上浮理論研究等內容，對抗浮設計方法科學梳理，并且明確不同方法的適用范圍。

4.1 抗浮樁的及時設置

建筑結構抗浮設計期間，可設置抗浮樁，主要是利用樁體及時分散建筑結構自重荷載，并且有效承擔拉力。實際設置中，應觀察地下水位情況，對樁體受力情況進行適當調整。這需要充足的抗浮設計經驗，同時，還要掌握施工區域歷年地下水位的變化情況，確定抗浮設防水位。確定設置抗浮樁后，需要對配筋進行準確計算，同時，進行基礎底板的內力分析，在此基礎上，還需要對地下水的壓力進行綜合考慮，由此來保證基礎底板的抗浮性能。設置抗浮樁的方法適用范圍比較廣，應用也比較頻繁，是經濟適用的抗浮方法之一。

4.2 抗浮錨桿的設置應用

抗浮錨桿的施工需要用到砂漿和錨桿。施工處理中，以巖土層為基礎，及時嵌入錨桿，使錨桿和巖土層成為一體，提高建筑結構的抗浮力，有效解決建筑基礎結構抗浮方面的問題。抗浮錨桿在實際應用中，不會對建筑結構凈高帶來影響，并且施工成本相對較低，整個抗浮錨桿設置對受力合理分配，在實際應用中體現出明顯優勢。

在具體施工過程中，抗浮錨桿主要有3 種施工形式：（1）建筑結構本身的自重與浮力之間的差值不明顯時，抗浮錨桿的設置可以選擇集中點狀布置，布置的常見范圍以柱、墻下為主。在底板區域布置時，要先計算出防水板的配筋以及強度等參數，隨后根據計算結果進行布置。（2）建筑結構中的梁板結構體系的自重與浮力數值相差較小時，宜集中線狀布置錨桿。通常布置在建筑地下室的底板梁下方，由于相較于集中點狀布置的錨桿更為集中，可以大大增強建筑地下室的抗浮特性。（3）建筑結構自重與浮力之間存在巨大差異時，需要采用面狀均勻布置的形式，將抗浮錨桿集中布置在建筑地下室底板以下區域。

4.3 恒荷載重量增加法

在建筑結構的抗浮設計中，自重是非常關鍵的因素。抗浮問題的出現，主要原因是自重與浮力之間協調不到位。從恒荷載的角度出發，應適當增加建筑結構的自重，與產生的浮力相平衡。增加建筑自重的方法有很多，根據建筑結構的相關參數，可以適當對板厚進行調整或者對構建尺寸加以調整等。還可以從配重方面著手，通過材料的選擇，達到自重增加的目的。例如，增加回填土的重量，增加底板外伸部分的重量；或者選擇自重較大的施工材料，如鐵屑混凝土、低標號混凝土等。除此之外，還可以適當增加結構的高度、層數等，在保證結構穩定性的基礎上，協調自重與浮力之間的差值，保證建筑整體受力平衡。

4.4 水浮力釋放方法

建筑結構中的底板施工，因為處于地下位置，所以，必須設置排水盲溝。施工前，應結合地下實際情況，對排水盲溝進行科學規劃。在這個過程中，基底會匯集壓力較大的水，需利用透水系統，將高壓水引入集水系統，同時，在過濾層與導水層的輔助下，使其順利進入儲水系統。集水坑會接收引出的壓力水，待達到建筑項目設定的標準水位，將集水坑的水及時吸出，由此達到水浮力釋放的目的。但是，該方法的應用并不常見，建筑結構中底板位置正好處于不透水層時，可選擇該方法；或者土層過于堅硬的情況下，也可以應用水浮力釋放的方法。

5 建筑結構中抗浮設計的科學規劃

5.1 及時調查、預測建筑項目地下水位

建筑結構抗浮設計開始之前，必須對建筑周圍的環境與地質情況等進行詳細的勘察。針對地下水制訂全面的勘察計劃。同時，對地下水層的分布等進行分析，掌握其規律。在此基礎上，對現場施工涉及的所有區域的地質構造都要詳細勘察，特別是地下水，從補給規律到聯通規律等，都要進行全面的了解，對其變化規律進行總結，繪制地下水變化趨勢圖，得出不同季節地下水的變化特點。調查項目施工區域近些年的最高水位，現場流域情況等。

5.2 精準確定抗浮水位

如果施工現場地下水位資料顯示地下水位變化波動大，并且沒有對水位進行長期、持續性觀測，設防水位的設定就需要參考實際勘測期間的最高水位變化曲線，取平均值作為設定標準。在此基礎上，綜合項目周圍地形以及補給等情況，及時總結影響抗浮設計水位的因素。除此之外，還需要制訂長期、持續性的觀察方案，及時統計與整理資料，為后續工作開展提供參考。

6 結語

綜上所述，建筑結構中抗浮設計直接關系到結構的穩定性與安全性。抗浮設計涉及因素比較多，設計之前必須對上浮原理以及抗浮設計問題等詳細掌握，明確抗浮設計的關鍵點與影響因素，制訂更詳細的設計方案，科學選擇抗浮設計方法，以此完善建筑結構的抗浮設計，提高建筑設計的合理性。