地下工程抗浮結(jié)構(gòu)及與主體結(jié)構(gòu)共同作用優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

李明琛，王　珺

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥　230009;2.合肥工業(yè)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥　230009)

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地下工程抗浮結(jié)構(gòu)及與主體結(jié)構(gòu)共同作用優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

李明琛1，王珺2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009;2.合肥工業(yè)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥230009)

摘要：文章通過(guò)有限元軟件Midas building和SAP2000模擬，探討抗浮錨桿的布置方式、抗浮錨桿剛度對(duì)筏板撓度、彎矩的影響，對(duì)比不同情況下筏板的撓度、彎矩，對(duì)抗浮工程進(jìn)行多種抗浮結(jié)構(gòu)方案分析優(yōu)化，總結(jié)出具有普遍實(shí)用性的優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：抗浮錨桿；剛度；變形協(xié)調(diào)；有限元

1工程實(shí)例

隨著城市化發(fā)展,城市用地越來(lái)越緊張,需大量開(kāi)發(fā)地下空間,而地下空間面臨最核心的問(wèn)題就是抗浮設(shè)計(jì)[1-3]。在實(shí)際抗浮設(shè)計(jì)中,多采用抗浮錨桿[4-7]。

某地下室外地面標(biāo)高H1為0 m,頂板頂面標(biāo)高H2為1 m,頂板覆土厚度d0為1 m,覆土容重γ為20 kN/m3,設(shè)防水位標(biāo)高Hw為0.5 m;頂板厚度d1為0.25 m,頂板主梁截面b×h=0.5 m×1 m,次梁截面b×h=0.3 m×0.8 m,柱截面h1×h1=0.5 m×0.5 m;地下室長(zhǎng)度為42 m,寬度為42 m,地下室層高h(yuǎn)為6.5 m;底板為筏板基礎(chǔ),底板厚度d2為400 mm,筏板上素混凝土厚度d3為200 mm,容重γ3為20 kN/m3,混凝土容重γ4為25 kN/m3。

2帶下柱墩筏板

帶下柱墩筏板平面布置如圖1所示。

圖1　帶下柱墩筏板平面布置圖

下柱墩尺寸為2.5 m×2.5 m,下柱墩加筏板厚d4為800 mm。選取圖1中A處柱網(wǎng)為計(jì)算單元,經(jīng)計(jì)算,水浮力Fw為76 kN/m,柱網(wǎng)面積S為70.56 m2,抗浮力G總為3 200.83 kN。

2.1抗浮驗(yàn)算

根據(jù)文獻(xiàn)[8],建筑物基礎(chǔ)存在浮力作用時(shí),應(yīng)進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算,即

其中,KW為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù),一般情況下可取1.05;GK為建筑物自重及壓重之和;NW,K為浮力作用值,由NW,K=FWS=4 656.96 kN。再由

3 200.83=1 688.98 kN

由此可見(jiàn)，需要錨桿提供1 688.98 kN的力才能使圖1中A處抗浮穩(wěn)定。

2.2計(jì)算簡(jiǎn)圖

在計(jì)算中,為便于分析錨桿對(duì)筏板撓度、裂縫和配筋的影響,可以將板倒置,如圖2所示。在建模計(jì)算時(shí),筏板及筏板上的素混凝土墊層自重不再計(jì)入[9]。

圖2　帶下柱墩筏板計(jì)算簡(jiǎn)圖

此時(shí),F1=1.35 Fwγ3d3γ4d2=88.2 kN/m。

2.3錨桿布置

運(yùn)用Midas building和SAP2000對(duì)筏板建模,計(jì)算在筏板(除柱下位置)每個(gè)柱網(wǎng)內(nèi)不布置錨桿、布置5根、8根錨桿情況下的筏板跨中撓度、彎矩。

每個(gè)柱網(wǎng)內(nèi)錨桿布置如圖3所示。

圖3　每個(gè)柱網(wǎng)內(nèi)錨桿布置圖

(1) 每個(gè)柱網(wǎng)內(nèi)布置N=5根錨桿,每根錨桿的平均拉力F拉=F錨桿/N=337.80 kN;錨桿的預(yù)拉力F預(yù)拉力=F拉×0.75=253.35 kN,取F預(yù)拉力=254 kN。

(2) 每個(gè)柱網(wǎng)內(nèi)布置N=8根錨桿,每根錨桿的平均拉力F拉=F錨桿/N=211.23 kN;錨桿的預(yù)拉力F預(yù)拉力=F拉×0.75=158.42 kN,取F預(yù)拉力=159 kN。

3梁板式筏板

梁板式筏板平面布置如圖4所示,圖中數(shù)字表示柱網(wǎng)編號(hào),梁截面尺寸為350 mm×750 mm,筏板厚度d2為400 mm。

圖4　梁板式筏基平面布置圖

3.1計(jì)算單元

取圖4中C處柱網(wǎng)為計(jì)算單元,參照帶下柱墩筏板模型,經(jīng)計(jì)算,G總=3 134.13 kN,F錨桿≥1.05NW,K-G總=1 755.68 kN。

同理,由F1=1.35 Fwγ3d3γ4d2=88.2 kN/m。

3.2錨桿布置

(1) 每個(gè)柱網(wǎng)內(nèi)布置N=5根錨桿,每根錨桿的平均拉力F拉=F錨桿/N=351.14 kN;錨桿的預(yù)拉力F預(yù)拉力=F拉×0.75=263.35 kN,取F預(yù)拉力=264 kN。

(2) 每個(gè)柱網(wǎng)內(nèi)布置N=8根錨桿,每根錨桿的平均拉力F拉=F錨桿/N=219.46 kN;錨桿的預(yù)拉力F預(yù)拉力=F拉×0.75=164.60 kN,取F預(yù)拉力=165 kN。

4不同錨桿布置方式的影響

4.1對(duì)撓度的影響

不同情況下，筏板撓度折線如圖5所示。

圖5　不同情況下筏板撓度折線圖

4.2對(duì)彎矩的影響

錨桿布置方式改變對(duì)應(yīng)的筏板各彎矩值如圖6所示。圖6中,M1為帶下柱墩筏板邊跨的最大正彎矩,M2為帶下柱墩筏板邊跨的最大負(fù)彎矩,M3為梁板式筏基邊跨的最大正彎矩,M4為梁板式筏基邊跨的最大負(fù)彎矩。

圖6　錨桿布置方式改變對(duì)應(yīng)的筏板各彎矩值

為簡(jiǎn)化計(jì)算模型,可近似用彈簧模擬不同剛度的錨桿[10]。彈簧在一定變形內(nèi)滿足Hooke's law,即F=-kx,k為彈簧剛度,x為彈簧變形。以梁板式筏基為例,在每個(gè)柱網(wǎng)內(nèi)布置5根錨桿,其錨桿剛度變化對(duì)應(yīng)的地下室筏板跨中撓度如圖7所示。

圖7　錨桿剛度變化對(duì)應(yīng)的地下室筏板跨中撓度值

5結(jié)論

(1) 在筏板(除柱下位置)布置抗浮錨桿,能夠有效減小筏板的撓度、彎矩。

(2) 帶下柱墩筏板中,在每個(gè)柱網(wǎng)內(nèi)不布置錨桿時(shí)的筏板撓度較大,在每個(gè)柱網(wǎng)內(nèi)布置5根錨桿和8根錨桿時(shí)筏板的撓度比較接近,顯然布置5根錨桿節(jié)省錨桿,經(jīng)濟(jì)性更好。

(3) 梁板式筏基中,在每個(gè)柱網(wǎng)內(nèi)不布置錨桿時(shí)的筏板撓度較大,在每個(gè)柱網(wǎng)內(nèi)布置5根錨桿和8根錨桿時(shí)筏板的撓度比較接近,顯然布置5根錨桿節(jié)省了錨桿,經(jīng)濟(jì)性更好。

(4) 帶下柱墩筏板與梁板式筏基對(duì)比,梁板式筏基的撓度總體較小。

(5) 帶下柱墩筏板中,筏板的負(fù)彎矩絕對(duì)值比梁板式筏基的負(fù)彎矩絕對(duì)值要小,兩者筏板的正彎矩值接近。每個(gè)柱網(wǎng)內(nèi)布置5根錨桿和布置8根錨桿時(shí),其筏板的正負(fù)彎矩值接近。

(6) 筏板撓度隨著錨桿剛度的增大而減小,當(dāng)錨桿剛度較小時(shí),筏板撓度隨著錨桿剛度改變變化較大;當(dāng)錨桿剛度較大時(shí),筏板撓度隨著錨桿剛度改變變化較小。因此,可以通過(guò)對(duì)錨桿施加預(yù)應(yīng)力改變錨桿的剛度,將錨桿剛度控制在一定值。

(7) 在工程上梁板式筏基施工較繁瑣,故應(yīng)用較少,帶下柱墩筏板應(yīng)用較多。

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收稿日期：2016-03-29；修改日期：2016-04-01

作者簡(jiǎn)介：李明琛(1992-)，男，安徽廣德人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生；

中圖分類號(hào)：TU473

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5781(2016)02-0239-03

王珺(1965-)，男，安徽桐城人，碩士，合肥工業(yè)大學(xué)教授級(jí)高工．