基于YJK對(duì)地下室抗浮錨桿的合理布置

詹鑫才

（廣東省大成注建工程設(shè)計(jì)有限公司　廣東廣州　510627）

引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，地下室層數(shù)由單層向多層發(fā)展，基礎(chǔ)埋置深度也相應(yīng)增加，在地下室深度范圍內(nèi)遇到埋藏較淺的地下水也較普遍，埋藏較淺的地下水將給純地下室產(chǎn)生一個(gè)較大的向上水浮力，所以抗浮設(shè)計(jì)是地下室設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)。目前抗浮設(shè)計(jì)主要采用錨桿抗浮、工程樁抗浮、排水法抗浮、頂板壓重抗浮等措施，但錨桿抗浮具有造價(jià)低、工期快、安全可靠的特點(diǎn)，并在越來(lái)越多的工程實(shí)踐中取得成功，所以近年來(lái)已經(jīng)被慢慢推廣。在抗浮錨桿設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師往往側(cè)重于錨桿的承載力計(jì)算，而忽略錨桿的合理布置方式。因此，本文結(jié)合實(shí)際工程，探討合理的錨桿布置方式對(duì)地下室的安全與經(jīng)濟(jì)影響。

1　工程概況

本工程位于廣州市白云區(qū)，總建筑面積28.3萬(wàn)m2，±0.000相對(duì)于絕對(duì)標(biāo)高為41.600；其中地下室為2層，負(fù)一層為3.9m，負(fù)二層為4.2m，建筑面積約7.5萬(wàn)m2，標(biāo)準(zhǔn)柱跨為7.8m×7.8m，地下室底板頂面相對(duì)標(biāo)高為-8.900m，地下水抗浮水位相對(duì)標(biāo)高為-1.000m，純地下室基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板，以粉質(zhì)粘土作為基礎(chǔ)持力層。

2　抗浮驗(yàn)算

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）第5.4.3條規(guī)定與《廣東省標(biāo)準(zhǔn)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DBJ15-31-2016）第5.2.1條，地下室自重及其上作用的永久荷載標(biāo)準(zhǔn)層的總和/地下水浮力＞1.05。本工程地下室底板厚度為0.4m，負(fù)一層底板厚度為0.14m頂板厚度為0.18m，頂板覆土平均厚度1.1m。軟件計(jì)算結(jié)果顯示Gk/Nw，k=0.65＜1.05，因此需要進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)對(duì)比各抗浮措施特點(diǎn)后決定采取錨桿進(jìn)行抗浮。

3　抗浮錨桿合理布置

3.1　錨桿合理布置

本工程抗浮錨桿利用YJK軟件進(jìn)行計(jì)算，YJK計(jì)算地下室底板與錨桿時(shí)采用彈性地基梁法，彈性地基梁法是根據(jù)有限單元法先計(jì)算得到位移、內(nèi)力，由彈簧位移和彈簧剛度得到實(shí)際反力分布。與傳統(tǒng)的倒樓蓋計(jì)算模型相比，彈性地基梁法可以考慮上部結(jié)構(gòu)剛度、上部荷載不均勻分布、基礎(chǔ)底板和錨桿相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)上部基礎(chǔ)與土共同作用分析，所以彈性地基梁法更能準(zhǔn)確地計(jì)算錨桿的受力情況。錨桿成孔直徑為150mm，抗拔承載力根據(jù)相關(guān)規(guī)范與試驗(yàn)取值250kN，錨桿抗拔剛度k=100000kN/m；恒載作用下的柱底內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)組合值是2180kN，水浮力q=83kPa；柱底下的柱墩截面為 2500×2500×800（長(zhǎng)×寬×高）。

大部分設(shè)計(jì)人員對(duì)地下室抗浮錨桿進(jìn)行布置時(shí)，都是簡(jiǎn)單地考慮錨桿的受力與上部結(jié)構(gòu)自重后，按照（總的水浮力計(jì)算值-底板及上部結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值）/單根錨桿承載值=計(jì)算錨桿數(shù)量，然后再根據(jù)底板面積/計(jì)算錨桿數(shù)量=每根錨桿承擔(dān)的抗浮面積，均勻地在地下室底板上布置錨桿（圖1（a））。利用YJK軟件計(jì)算面狀均勻布置的各錨桿反力結(jié)果見(jiàn)圖（圖2（a）），從圖中可以看到柱底下的錨桿內(nèi)力最小，不能充分發(fā)揮錨桿的抗拔作用；柱底周邊錨桿內(nèi)力不均勻，其極差與平均值之比較大。采用面狀均勻布置錨桿是由于對(duì)傳力途徑不清晰引起的，將錨桿均勻地布置于基礎(chǔ)底板上，誤認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)的恒載是均勻分布到板的所有區(qū)域，而實(shí)際是上部荷載只集中分布在柱底下的一定范圍內(nèi)，要滿足柱底內(nèi)力均勻地分布到底板的所有區(qū)域就必須要求底板的剛度無(wú)窮大，但是底板在實(shí)際情況下無(wú)法滿足此條件。一旦受力最大的錨桿達(dá)到極限承載力而破壞，最大承載力錨桿周邊受力較小的錨桿也由于連鎖反應(yīng)造成破壞，最后可能會(huì)導(dǎo)致底板開(kāi)裂造成的局部破壞或地下室隆起造成的整體破壞。

圖1　抗浮錨桿布置方式

為了合理布置抗浮錨桿，達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)，考慮到柱傳到柱底的荷載較大，這部分向下傳遞的荷載可以抵消一部分水浮力，所以確定這個(gè)向下傳遞的柱底內(nèi)力對(duì)底板影響范圍成為了合理布置錨桿的關(guān)鍵。根據(jù)靜力平衡方法分四步估算這個(gè)影響范圍：①用面狀均勻布置方法在底板布置抗浮錨桿；②查看YJK軟件在恒載標(biāo)準(zhǔn)作用下的柱底內(nèi)力，用該內(nèi)力除以單根錨桿的承載力可以得到相等于柱底內(nèi)力的計(jì)算錨桿數(shù)量；③以柱為中心去掉柱周圍的計(jì)算錨桿數(shù)量，從而得到柱底內(nèi)力對(duì)底板影響范圍區(qū)域；④在柱對(duì)底板的影響區(qū)域外集中布置錨桿，可以充分利用錨桿的抗拔作用。為了驗(yàn)證上述方法的可靠性，利用YJK軟件結(jié)合基礎(chǔ)底板、抗浮錨桿、上部荷載的共同作用以及非線性抗浮計(jì)算后的三維位移圖、板配筋、錨桿抗拔承載力對(duì)比，對(duì)所布置的錨桿進(jìn)行優(yōu)化，最后采用空心型均勻布置方式（圖1（b）），相應(yīng)的錨桿反力結(jié)果見(jiàn)圖（圖2（b））。從錨桿反力圖中可以看到單位錨桿數(shù)量與面狀均勻布置相同的情況下，各錨桿受力比較均勻，能充分利用各錨桿的抗拔性能。增設(shè)錨桿后的地下室整體抗浮穩(wěn)定性為1.08＞1.05，能滿足地下室整體抗浮要求。

圖2　抗浮錨桿反力圖

3.2　錨桿不同布置方式經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

由于地下室底板面積較大，面狀均勻布置錨桿與空心型均勻布置錨桿的經(jīng)濟(jì)性對(duì)項(xiàng)目總成本將產(chǎn)生關(guān)鍵的影響。兩種錨桿布置方式的錨桿數(shù)量相同，底板厚度相同所以混凝土用量也一樣；但面狀均勻布置錨桿的底板鋼筋單位面積為34.2kg/m2，空心型均勻布置錨桿的底板鋼筋單位面積為27.8kg/m2，所以空心型均勻布置錨桿的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于面狀均勻布置錨桿。

4　結(jié)語(yǔ)

本工程已經(jīng)竣工兩年半并投入使用，地下室底板各項(xiàng)指標(biāo)均正常，未發(fā)現(xiàn)任何異常情況。所以在對(duì)地下室抗浮錨桿設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況進(jìn)行多方案的對(duì)比分析，尋求既能使錨桿受力均勻合理又能使底板的配筋率最經(jīng)濟(jì)的布置方式，達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。