充分利用上部建筑自重的抗浮錨桿計(jì)算方法

劉建強(qiáng) 趙傳瑩 宮立寶

(1.大連市建筑設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)例，采用標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)進(jìn)行了抗浮設(shè)計(jì)計(jì)算，在抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，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(huì)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(jì)。當(dāng)?shù)鼗鶠閹r石時(shí)，通常設(shè)置抗浮錨桿抵抗水浮力，抗浮錨桿的計(jì)算一般采用倒樓蓋法[1]，計(jì)算時(shí)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(shí)常將抗浮錨桿均勻布置在基礎(chǔ)底板下，這樣布置會(huì)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(jì)計(jì)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。

1 工程概況

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(dú)立基礎(chǔ)+防水底板，獨(dú)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(bào)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(gè)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(shí)際地下水位遠(yuǎn)高于地勘報(bào)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(shí)恰為枯水期，勘察報(bào)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(shí)測，實(shí)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 抗浮計(jì)算

2.1 原有抗浮錨桿下的抗浮驗(yàn)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(dú)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(jì)規(guī)范》[3]進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)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(jì)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(jì)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(gè)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(diǎn)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(yàn)，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(jì)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。抗浮錨桿在水浮力作用下并不是均勻受力的，故不能同時(shí)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(huì)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(jì)時(shí)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(gè)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(diǎn)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(jì)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??；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(dú)立基礎(chǔ))抗浮錨桿拉力較小，因此設(shè)計(jì)時(shí)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。

3 結(jié)語

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(jì)，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(jì)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(jì)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(jí)工程師

TU470

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