建筑結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)必要性

建筑結(jié)構(gòu)中抗浮設(shè)計(jì)主要集中在地下。受到地下水影響，建筑工程穩(wěn)定性受到影響。以某2 層獨(dú)立地下車庫為例，實(shí)際施工設(shè)計(jì)與作業(yè)中，建筑結(jié)構(gòu)存在明顯的上浮情況，根據(jù)建筑觀察記錄資料可知，結(jié)構(gòu)上浮高度最高達(dá)到1.42 m。不僅如此，結(jié)構(gòu)主體還出現(xiàn)各種問題，如梁、板等出現(xiàn)明顯的裂縫等現(xiàn)象。柱間板裂縫存在極大的破壞性，直接威脅到結(jié)構(gòu)主體的安全。在這種情況下，若不能及時(shí)對建筑結(jié)構(gòu)開展抗浮設(shè)計(jì)，將會為結(jié)構(gòu)主體安全埋下隱患[1]。

建筑結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量與安全保證的基礎(chǔ)。結(jié)合地下水位變化情況，及時(shí)展開計(jì)算，尤其是建筑物承受浮力方面，在設(shè)計(jì)中要精準(zhǔn)到具體數(shù)值，嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)與施工過程[2]。當(dāng)前常用的抗浮設(shè)計(jì)，主要從建筑整體角度出發(fā)，科學(xué)平衡自重。除此之外，還會對建筑結(jié)構(gòu)承受的重量進(jìn)行分化，維持整體結(jié)構(gòu)的平衡性。建筑結(jié)構(gòu)中抗浮設(shè)計(jì)的展開，不僅需要專業(yè)的知識，同時(shí)也需要有豐富的經(jīng)驗(yàn)，從2 方面優(yōu)化抗浮設(shè)計(jì)：整體抗浮和局部抗浮。地下水變化對浮力的影響較大，設(shè)計(jì)過程中需要全方位計(jì)算，及時(shí)對建筑結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)方案做出調(diào)整，保證抗浮設(shè)計(jì)的作用發(fā)揮到最大[3]。

2 建筑結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)問題

首先，整體抗浮失效問題。建筑結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)期間，項(xiàng)目本身所體現(xiàn)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(jié)構(gòu)會出現(xiàn)明顯的偏移情況，主體結(jié)構(gòu)安全受到威脅[5]。尤其是汛期，受到降雨影響，地下水位出現(xiàn)明顯變化，迅速升高，突破建筑結(jié)構(gòu)所設(shè)定的抗浮防水標(biāo)準(zhǔn)，會出現(xiàn)明顯的整體抗浮失效現(xiàn)象。當(dāng)然設(shè)計(jì)期間受到勘察數(shù)據(jù)等的影響，抗浮設(shè)防水位的判斷并不是很精準(zhǔn)，也會增加整體抗浮失效現(xiàn)象出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。一旦建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體抗浮失效，主體結(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯位移，同時(shí)標(biāo)高也會出現(xiàn)異常。雖然不會對建筑結(jié)構(gòu)造成很大程度的損壞，但是依然會出現(xiàn)比較多的無害裂縫，若不能及時(shí)處理，必然會影響到建筑結(jié)構(gòu)的壽命。

其次，局部抗浮失效問題。該問題的出現(xiàn)，主要是因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，繼而出現(xiàn)一系列局部抗浮失效現(xiàn)象。當(dāng)前的建筑結(jié)構(gòu)施工中，因?yàn)槭┕ぴO(shè)計(jì)中對抗浮設(shè)計(jì)規(guī)劃不到位，尤其是對抗彎承載力方面的計(jì)算不精確，加上施工條件的影響，導(dǎo)致局部穩(wěn)定性出現(xiàn)波動(dòng)，出現(xiàn)局部抗浮失效，威脅建筑結(jié)構(gòu)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(gè)建筑結(jié)構(gòu)中同時(shí)出現(xiàn)局部抗浮失效與整體抗浮失效。多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)施工中，經(jīng)常出現(xiàn)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(xiàn)了嚴(yán)重的底板破壞或者防水性能下降現(xiàn)象，從而導(dǎo)致局部與整體抗浮失效。該問題的出現(xiàn)會加劇建筑結(jié)構(gòu)裂縫問題。

3 建筑結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)中的抗浮驗(yàn)算

1）建筑結(jié)構(gòu)的平均自重。建筑結(jié)構(gòu)自重計(jì)算中，涉及2 方面因素：上覆土體質(zhì)量和混凝土結(jié)構(gòu)自重。建筑結(jié)構(gòu)平均自重計(jì)算中，根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中，G 為建筑結(jié)構(gòu)自重，kN；γ 為構(gòu)件材料重度，kN/m3；V 為構(gòu)件體積，m3。

2）浮力計(jì)算。以全埋式地下結(jié)構(gòu)為例，浮力計(jì)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(biāo)高，m；H基礎(chǔ)底部為基礎(chǔ)底部標(biāo)高，m。

4 建筑結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)具體方法介紹

建筑結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)中，結(jié)合上述抗浮設(shè)計(jì)中存在的問題以及上浮理論研究等內(nèi)容，對抗浮設(shè)計(jì)方法科學(xué)梳理，并且明確不同方法的適用范圍。

4.1 抗浮樁的及時(shí)設(shè)置

建筑結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)期間，可設(shè)置抗浮樁，主要是利用樁體及時(shí)分散建筑結(jié)構(gòu)自重荷載，并且有效承擔(dān)拉力。實(shí)際設(shè)置中，應(yīng)觀察地下水位情況，對樁體受力情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。這需要充足的抗浮設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，還要掌握施工區(qū)域歷年地下水位的變化情況，確定抗浮設(shè)防水位。確定設(shè)置抗浮樁后，需要對配筋進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，同時(shí)，進(jìn)行基礎(chǔ)底板的內(nèi)力分析，在此基礎(chǔ)上，還需要對地下水的壓力進(jìn)行綜合考慮，由此來保證基礎(chǔ)底板的抗浮性能。設(shè)置抗浮樁的方法適用范圍比較廣，應(yīng)用也比較頻繁，是經(jīng)濟(jì)適用的抗浮方法之一。

4.2 抗浮錨桿的設(shè)置應(yīng)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(chǔ)，及時(shí)嵌入錨桿，使錨桿和巖土層成為一體，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗浮力，有效解決建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)抗浮方面的問題?？垢″^桿在實(shí)際應(yīng)用中，不會對建筑結(jié)構(gòu)凈高帶來影響，并且施工成本相對較低，整個(gè)抗浮錨桿設(shè)置對受力合理分配，在實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)出明顯優(yōu)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(jié)構(gòu)本身的自重與浮力之間的差值不明顯時(shí)，抗浮錨桿的設(shè)置可以選擇集中點(diǎn)狀布置，布置的常見范圍以柱、墻下為主。在底板區(qū)域布置時(shí)，要先計(jì)算出防水板的配筋以及強(qiáng)度等參數(shù)，隨后根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行布置。（2）建筑結(jié)構(gòu)中的梁板結(jié)構(gòu)體系的自重與浮力數(shù)值相差較小時(shí)，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(diǎn)狀布置的錨桿更為集中，可以大大增強(qiáng)建筑地下室的抗浮特性。（3）建筑結(jié)構(gòu)自重與浮力之間存在巨大差異時(shí)，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(qū)域。

4.3 恒荷載重量增加法

在建筑結(jié)構(gòu)的抗浮設(shè)計(jì)中，自重是非常關(guān)鍵的因素?？垢栴}的出現(xiàn)，主要原因是自重與浮力之間協(xié)調(diào)不到位。從恒荷載的角度出發(fā)，應(yīng)適當(dāng)增加建筑結(jié)構(gòu)的自重，與產(chǎn)生的浮力相平衡。增加建筑自重的方法有很多，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，可以適當(dāng)對板厚進(jìn)行調(diào)整或者對構(gòu)建尺寸加以調(diào)整等。還可以從配重方面著手，通過材料的選擇，達(dá)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(biāo)號混凝土等。除此之外，還可以適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)的高度、層數(shù)等，在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)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(jié)構(gòu)中的底板施工，因?yàn)樘幱诘叵挛恢?，所以，必須設(shè)置排水盲溝。施工前，應(yīng)結(jié)合地下實(shí)際情況，對排水盲溝進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃。在這個(gè)過程中，基底會匯集壓力較大的水，需利用透水系統(tǒng)，將高壓水引入集水系統(tǒng)，同時(shí)，在過濾層與導(dǎo)水層的輔助下，使其順利進(jìn)入儲水系統(tǒng)。集水坑會接收引出的壓力水，待達(dá)到建筑項(xiàng)目設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)水位，將集水坑的水及時(shí)吸出，由此達(dá)到水浮力釋放的目的。但是，該方法的應(yīng)用并不常見，建筑結(jié)構(gòu)中底板位置正好處于不透水層時(shí)，可選擇該方法；或者土層過于堅(jiān)硬的情況下，也可以應(yīng)用水浮力釋放的方法。

5 建筑結(jié)構(gòu)中抗浮設(shè)計(jì)的科學(xué)規(guī)劃

5.1 及時(shí)調(diào)查、預(yù)測建筑項(xiàng)目地下水位

建筑結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)開始之前，必須對建筑周圍的環(huán)境與地質(zhì)情況等進(jìn)行詳細(xì)的勘察。針對地下水制訂全面的勘察計(jì)劃。同時(shí)，對地下水層的分布等進(jìn)行分析，掌握其規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，對現(xiàn)場施工涉及的所有區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造都要詳細(xì)勘察，特別是地下水，從補(bǔ)給規(guī)律到聯(lián)通規(guī)律等，都要進(jìn)行全面的了解，對其變化規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，繪制地下水變化趨勢圖，得出不同季節(jié)地下水的變化特點(diǎn)。調(diào)查項(xiàng)目施工區(qū)域近些年的最高水位，現(xiàn)場流域情況等。

5.2 精準(zhǔn)確定抗浮水位

如果施工現(xiàn)場地下水位資料顯示地下水位變化波動(dòng)大，并且沒有對水位進(jìn)行長期、持續(xù)性觀測，設(shè)防水位的設(shè)定就需要參考實(shí)際勘測期間的最高水位變化曲線，取平均值作為設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，綜合項(xiàng)目周圍地形以及補(bǔ)給等情況，及時(shí)總結(jié)影響抗浮設(shè)計(jì)水位的因素。除此之外，還需要制訂長期、持續(xù)性的觀察方案，及時(shí)統(tǒng)計(jì)與整理資料，為后續(xù)工作開展提供參考。

6 結(jié)語

綜上所述，建筑結(jié)構(gòu)中抗浮設(shè)計(jì)直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性?？垢≡O(shè)計(jì)涉及因素比較多，設(shè)計(jì)之前必須對上浮原理以及抗浮設(shè)計(jì)問題等詳細(xì)掌握，明確抗浮設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)與影響因素，制訂更詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，科學(xué)選擇抗浮設(shè)計(jì)方法，以此完善建筑結(jié)構(gòu)的抗浮設(shè)計(jì)，提高建筑設(shè)計(jì)的合理性。