劉建強(qiáng) 趙傳瑩 宮立寶
(1.大連市建筑設(shè)計研究院有限公司,遼寧 大連 116021; 2.中國建筑第八工程局有限公司,遼寧 大連 116021)
充分利用上部建筑自重的抗浮錨桿計算方法
劉建強(qiáng)1趙傳瑩2宮立寶2
(1.大連市建筑設(shè)計研究院有限公司,遼寧 大連 116021; 2.中國建筑第八工程局有限公司,遼寧 大連 116021)
結(jié)合工程實例,采用標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)進(jìn)行了抗浮設(shè)計計算,在抗浮設(shè)計時,將基礎(chǔ)底板劃分為柱底恒載影響區(qū)和純底板抗浮錨桿影響區(qū),通過合理布置抗浮錨桿,使得在水浮力作用下的柱底支座反力接近柱底恒載,達(dá)到了充分利用上部建筑自重進(jìn)行抗浮的效果。
建筑自重,抗浮錨桿,抗浮設(shè)防水位,彈性支撐
當(dāng)前新建小區(qū)為解決停車難的問題,會在塔樓之間建設(shè)純地下車庫,有的地下車庫層數(shù)較多,對于地下水位較高的地區(qū),單建式地下車庫必須進(jìn)行抗浮設(shè)計。當(dāng)?shù)鼗鶠閹r石時,通常設(shè)置抗浮錨桿抵抗水浮力,抗浮錨桿的計算一般采用倒樓蓋法[1],計算時假設(shè)基礎(chǔ)底板剛度無窮大,錨桿均勻受力,在抗浮錨桿布置時常將抗浮錨桿均勻布置在基礎(chǔ)底板下,這樣布置會導(dǎo)致柱附近的錨桿未發(fā)揮其作用,而板跨中間區(qū)域的錨桿又超過其承載力,造成板跨中間的抗浮錨桿首先破壞或失效,然后慢慢延伸至柱附近的抗浮錨桿,最后出現(xiàn)跨中底板隆起、梁柱開裂等破壞。本文采用標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)(8.4 m×8.4 m)進(jìn)行抗浮設(shè)計計算,將基礎(chǔ)底板劃分為柱底恒載影響區(qū)和純底板抗浮錨桿影響區(qū),通過合理布置抗浮錨桿,使得在水浮力作用下的柱底支座反力接近柱底恒載,達(dá)到了充分利用上部建筑自重進(jìn)行抗浮的效果。
某單建式地下車庫,地下共3層,地下2,3層層高為3.8 m,地下1層層高為3.9 m,地下室頂板覆土厚度為2 m。該工程為框架結(jié)構(gòu),標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)為8.4 m×8.4 m,框架柱截面尺寸為700 mm×700 mm,基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化板巖,基礎(chǔ)采用柱下獨立基礎(chǔ)+防水底板,獨立基礎(chǔ)平面尺寸為3.2 m×3.2 m,基礎(chǔ)高度為900 mm,防水底板厚度為500 mm,墊層厚度為150 mm,標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)中間跨柱底軸力為4 335 kN。地勘報告提供的抗浮設(shè)防水位為-9.95 m,即抗浮水頭為4 m,采用抗浮錨桿抵抗水浮力的作用,每個板跨內(nèi)布置4根抗浮錨桿,單根錨桿抗拔力特征值為350 kN。
在基坑開挖過程中,發(fā)現(xiàn)實際地下水位遠(yuǎn)高于地勘報告提供的抗浮設(shè)防水位,經(jīng)調(diào)查,勘察工作是3月份完成的,當(dāng)時恰為枯水期,勘察報告中將地下水穩(wěn)定水位確定為抗浮設(shè)防水位,未結(jié)合場地地形地貌、地下水補(bǔ)給、地表水、排泄條件等因素綜合確定合理的抗浮設(shè)防水位[2]。隨后地勘單位對地下水位進(jìn)行了實測,實測地下水位為-4.000 m,比原抗浮設(shè)防水位-9.95 m高出5.95 m,經(jīng)論證最終確定抗浮設(shè)防水位為-2.250 m,即抗浮水頭為11.7 m。
2.1 原有抗浮錨桿下的抗浮驗算
水浮力:Nw,k=10 kN/m3×11.7 m=117 kN/m2,防水板及墊層自重(不考慮獨立基礎(chǔ)超出防水板部分):0.5 m×25 kN/m3+0.15 m×20 kN/m3=15.5 kN/m2。
每平方米上部結(jié)構(gòu)自重:4 335 kN/(8.4 m×8.4 m)=61 kN/m2。
抗浮錨桿折合每平方米抗拔力為Fk=350 kN×4/(8.4 m×8.4 m)=20 kN/m2。
根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[3]進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗算:
(Gk+Fk)/Nw,k=(15.5 kN/m2+61 kN/m2+20 kN/m2)/117 kN/m2=0.82<1.05,不滿足整體抗浮要求。
2.2 抗浮錨桿數(shù)量計算
抗浮水頭11.7 m作用下,所需錨桿根數(shù)為:
(117 kN/m2-15.5 kN/m2-61 kN/m2)×(8.4 m×8.4 m)/350 kN=8.2,即至少需要9根抗浮錨桿。
2.3 凈水浮力計算
根據(jù)新的抗浮設(shè)防水位,重新對抗浮錨桿進(jìn)行布置,考慮整體抗浮安全系數(shù)為1.05,扣除防水板和墊層自重后凈水浮力作用為1.05×117 kN/m2-15.5 kN/m2=107 kN/m2。
2.4 抗浮錨桿初步布置
初步考慮在每個板跨范圍內(nèi)布置9根抗浮錨桿,抗浮錨桿初步布置如圖1所示。
利用midas gen建立有限元模型,錨桿采用節(jié)點彈性支承的只抗拉模型進(jìn)行模擬[4],根據(jù)抗浮錨桿拉拔試驗,抗浮錨桿剛度k=200 kN/mm,柱底設(shè)置為固定支座,將凈水浮力通過壓力荷載作用到基礎(chǔ)底板上,計算得到方案一、二的柱底固定支座反力及抗浮錨桿反力見圖2。
由圖2可知,抗浮錨桿初步布置方案一的柱底固定支座反力4 252 kN未超過柱底恒載4 335 kN,但板跨中部的5根錨桿在水浮力作用下拉力都大于其承載力350 kN;抗浮錨桿初步布置方案二的柱底固定支座反力4 437 kN大于柱底恒載4 335 kN,板跨中心的錨桿在水浮力下拉力408 kN大于其承載力350 kN??垢″^桿在水浮力作用下并不是均勻受力的,故不能同時充分發(fā)揮其承載力,若按照所有抗浮錨桿均布受力且充分利用其承載力進(jìn)行抗浮錨桿布置,會導(dǎo)致柱附近的錨桿未發(fā)揮其作用,而板跨中間區(qū)域的錨桿又超過其承載力,造成板跨中間的抗浮錨桿首先破壞或失效,然后慢慢延伸至柱附近的抗浮錨桿,最后出現(xiàn)跨中底板隆起、梁柱開裂等破壞,故在抗浮設(shè)計時不能考慮全部抗浮錨桿充分發(fā)揮其承載力,應(yīng)適當(dāng)增加抗浮錨桿的數(shù)量。
2.5 抗浮錨桿合理布置
考慮凈水浮力由柱底恒載和抗浮錨桿共同承擔(dān),將基礎(chǔ)底板劃分為柱底恒載影響區(qū)和純底板抗浮錨桿影響區(qū),柱底恒載影響區(qū)面積為4 335 kN/107 kN/m2=40 m2,影響半徑為3.5 m;每根錨桿影響面積為350 kN/107 kN/m2=3.27 m2,影響半徑為1 m,考慮到基礎(chǔ)底板跨中抗浮錨桿受力較大,將跨中抗浮錨桿適當(dāng)加密,
由此可以得到抗浮錨桿的布置及影響區(qū)如圖3所示,每個柱跨內(nèi)布置12根抗浮錨桿。
利用midas gen建立有限元模型,錨桿采用節(jié)點彈性支承的只抗拉模型進(jìn)行模擬,抗浮錨桿剛度k=200 kN/mm,柱底設(shè)置為固定支座,將凈水浮力通過壓力荷載作用到基礎(chǔ)底板上,計算得到柱底固定支座反力及抗浮錨桿反力見圖4。
由圖4可知,柱底固定支座豎向反力為4 300 kN,接近柱底恒載4 335 kN,即充分利用了上部建筑自重進(jìn)行抗浮;板跨中部抗浮錨桿拉力最大為298 kN,遠(yuǎn)離板跨中部(靠近柱下獨立基礎(chǔ))抗浮錨桿拉力較小,因此設(shè)計時注意控制板中間區(qū)域的抗浮錨桿不得超過抗浮錨桿的抗拔力特征值。
本工程由于抗浮設(shè)防水位變化,重新對抗浮錨桿進(jìn)行了設(shè)計,可以通過對基礎(chǔ)底板劃分為柱底恒載影響區(qū)和純底板抗浮錨桿影響區(qū),合理布置抗浮錨桿,使得在水浮力作用下的柱底支座反力接近柱底恒載,達(dá)到充分利用上部建筑自重進(jìn)行抗浮的效果。
[1] 朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問答及分析[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009:318-326.
[2] JGJ 72—2004,高層建筑巖土工程勘察規(guī)程[S].
[3] GB 50007—2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].
[4] 吳 錚,文善平.地下室底板抗浮錨桿合理布置與工程應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu),2005,45(11):96-99.
The method of calculating anti-floating anchor bolt by utilizing the weight of upper
Liu Jianqiang1Zhao Chuanying2Gong Libao2
(1.DalianArchitecturalDesign&ResearchCo.,Ltd,Dalian116021,China; 2.ChinaConstructionEighthEngineeringDivision.Corp.Ltd,Dalian116021,China)
Combining with the engineering example, using the standard column net made the anti floating design calculation, in the anti-floating design, the base plate is divided into the influence area of the dead load and the influence area of the anti-floating anchor. Through the rational arrangement of anti-floating anchor, making the bearing under the action of water buoyant force near the bottom of the column dead load, full use of the upper building weight for anti-floating.
building weight, anti-floating anchor, anti-floating water level, elastic support
1009-6825(2017)02-0088-02
2016-11-03
劉建強(qiáng)(1983- ),男,工程師; 趙傳瑩(1984- ),男,工程師; 宮立寶(1969- ),男,高級工程師
TU470
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