淺談地下結(jié)構(gòu)的抗浮設(shè)計

姚 棋

（福州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福建 福州 350007）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市可開發(fā)利用的地面空間愈發(fā)緊張，因此，對城市地下空間的開發(fā)利用迅猛發(fā)展，建設(shè)了一大批地下工程。隨著城市地下空間的大力開發(fā)，各類事故與災(zāi)害也勢必增多，其中地下水對建筑結(jié)構(gòu)的影響極大。雖然一些工程中地下室無水或者常水位較低，未發(fā)生工程事故，但每當(dāng)暴雨過后地下水位急速升高，形成積水而無法及時消散時，地下水的上浮作用就可能會給地下室結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)重的不可逆的破壞[1]。此外，部分結(jié)構(gòu)設(shè)計師采用上部結(jié)構(gòu)自重進(jìn)行抗浮設(shè)計時，只片面地認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)的自重標(biāo)準(zhǔn)值大于總的水浮力設(shè)計值時就滿足抗浮設(shè)計要求，而未分析上部結(jié)構(gòu)自重荷載的分布和抗浮力的傳力路徑，從而造成局部范圍內(nèi)抗浮壓力或抗浮拉力小于水浮力，導(dǎo)致地下室底板不規(guī)則隆起，甚至造成地下室以及上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生大面積破壞。因此，結(jié)合具體工程特性，選擇安全、經(jīng)濟、可行的抗浮措施，是地下建(構(gòu))筑物亟需解決的重要問題之一。

1 結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計的基本概念

結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計包括結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定設(shè)計和結(jié)構(gòu)底板在水浮力作用下的強度設(shè)計。結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定問題為結(jié)構(gòu)整體或局部在水浮力作用下因不能保持原來位置而發(fā)生的結(jié)構(gòu)整體或局部上浮，這種上浮運動有可能是整體的剛體運動，也可能是因為結(jié)構(gòu)某部分的上浮運動受到約束而使結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生較大的變形破壞；結(jié)構(gòu)底板在水浮力作用下的強度問題僅僅是基礎(chǔ)底板在凈水浮力下的強度破壞，與恒活載作用下的強度破壞形式?jīng)]有區(qū)別。

兩類問題的主因相同，都是水浮力的作用，與地下水位的高低有密切的關(guān)系。一般來說，存在抗浮穩(wěn)定問題的工程，必然存在基礎(chǔ)底板在水浮力作用下的強度問題。但存在水浮力作用下基礎(chǔ)底板強度問題的工程，不一定存在抗浮穩(wěn)定問題，關(guān)鍵在于抗浮設(shè)防水位的高低。

（1）當(dāng)抗浮設(shè)防水位低于基礎(chǔ)底板，此時既不存在結(jié)構(gòu)底板在水浮力下的強度問題，也不存在結(jié)構(gòu)的抗浮穩(wěn)定問題。

（2）當(dāng)抗浮設(shè)防水位高于基礎(chǔ)底板，由水浮力工況控制但水浮力合力尚未超過建筑物結(jié)構(gòu)自重與附加恒載的合力時，基礎(chǔ)底板存在強度問題，整個結(jié)構(gòu)體尚不存在整體的抗浮穩(wěn)定問題，但不排除結(jié)構(gòu)體局部存在抗浮穩(wěn)定問題。當(dāng)抗浮設(shè)防水位繼續(xù)升高，僅靠結(jié)構(gòu)自重及附加恒載無法平衡水浮力，就存在結(jié)構(gòu)整體的抗浮穩(wěn)定問題，也必然存在基礎(chǔ)底板在水浮力下的強度問題。

2 工程概況

福建省福州市晉安區(qū)某鎮(zhèn)一工程，由2幢6F辦公樓、2層地下室組成，柱網(wǎng)為8.4m×8.4m，采用600mm厚筏板基礎(chǔ)（局部沖切不夠，加厚處理），如圖1所示。該工程±0.00m相當(dāng)于羅零高程37.100m，根據(jù)地勘資料，抗浮設(shè)防水位建議采用36.50m（羅零高程）。底板面標(biāo)高為-8.500m，疏水層厚100mm，地下室水頭高度為8.5m。

圖1 筏板基礎(chǔ)局部平面布置

3 結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計的主要內(nèi)容

結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計的主要內(nèi)容包括兩部分：（1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件（筏板、防水板、地下室外墻等）在水壓力作用下的強度設(shè)計（截面尺寸與配筋）；（2）地下水浮力作用下的整體與局部抗浮穩(wěn)定性設(shè)計。嚴(yán)格意義上，二者計算水浮力時所采用的水頭并不一定相同，抗浮穩(wěn)定計算的水頭一般要高于結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度計算的水頭。

3.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度設(shè)計

（1）防水板荷載的計算。防水板及其疏水層自重：

qs1=25×0.6+20×0.1=17kN/m2

水浮力標(biāo)準(zhǔn)值：

qw=10×8.5=85kN/m2

防水板荷載設(shè)計值：

qwj=1.5×85-1.0×17=110.5kN/m2

（2）防水板的受力計算。

防水板按無梁樓蓋設(shè)計，如圖2所示。

圖2 無梁樓蓋的板帶劃分

其中：bce=4.2 m,lx=ly=8.4 m,q=qwj=110.5kN/m2

Mx=My=qly(lx-2bce/3)2/8=110.5×8.4×(8.4-2×4.2/3)2/8=3465.28kN·m

防水板彎矩：

柱下板帶：M1支=0.5×3465.28=1732.64kN·mM1中=0.18×3465.28=623.75kN·m

跨中板帶：M2支=0.17×3465.28=589.1kN·mM2中=0.18×3465.28=519.8kN·m

防水板的配筋設(shè)計：

柱 下 板 帶：As,1支=M/(0.9fyh0)=1732.64/(0.9×360×1.16)=4610.05mm2

As,1中=M/(0.9fyh0)=623.75/(0.9×360×0.56)=3437.78mm2

跨中板帶：As,2支=M/(0.9fyh0)=589.1/(0.9×360×0.56)=3246.80mm2

As,2中=M/(0.9fyh0)=519.8/(0.9×360×0.56)=2864.86mm2

最小構(gòu)造配筋：As,min=0.15%bh=0.15%×1000×600=900mm2

故防水板配筋率為計算配筋控制，不是構(gòu)造配筋控制。

3.2 抗浮設(shè)計

抗浮設(shè)計包括兩部分內(nèi)容：（1）整體抗浮，要求建筑物自重和壓重之和大于水的浮力，保證地下結(jié)構(gòu)整體不上??；（2）局部抗浮，保證地下室局部構(gòu)件，如基礎(chǔ)底板、地下墻體、梁柱節(jié)點不出現(xiàn)局部應(yīng)力較大而發(fā)生開裂或變形[2]。

3.2.1 整體抗浮

依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011)[3]，建筑物基礎(chǔ)存在浮力作用時應(yīng)進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗算。

式中：

Gk——建筑物自重及壓重之和，kN；

Nw,k——浮力作用值，kN；

Kw——抗浮穩(wěn)定系數(shù)，一般情況下可取1.05。

依據(jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 476－2019）[4]，建筑工程抗浮穩(wěn)定性應(yīng)符合式（2）規(guī)定：

式中：

G——建筑結(jié)構(gòu)自重、附加物自重、抗浮結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗力設(shè)計值總和，kN；

Nw,k——浮力設(shè)計值，kN；

Kw——抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)。

根據(jù)地勘資料，該工程建筑抗浮設(shè)計等級為乙級，水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度為中等復(fù)雜。故使用期的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為1.05，與《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011)[3]的規(guī)定一致。

通過盈建科軟件計算得到此工程的整體抗浮數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 整體抗浮數(shù)據(jù)計算結(jié)果

綜上所述，此工程整體抗浮滿足設(shè)計要求。

3.2.2 局部抗浮

依托工程局部浮力最不利處為2#主樓下的兩層地下室，室外覆土厚度為1m，室內(nèi)±0.00相當(dāng)于羅零高程37.100m，根據(jù)地勘資料，抗浮設(shè)計水位建議采用36.50m（羅零高程）。

取最不利柱網(wǎng)尺寸8.4m×8.4m進(jìn)行計算，地下一層頂板厚250mm，地下二層頂板厚250mm，均為梁板式樓蓋，底板筏板厚600mm，面層厚100mm，基礎(chǔ)底標(biāo)高為-9.00m；上部樓層共6層，標(biāo)準(zhǔn)層板厚120mm，屋面板厚120mm，樓層恒載標(biāo)準(zhǔn)值為1.5kN/m2,屋面恒載標(biāo)準(zhǔn)值為4kN/m2。

（1）抗浮計算。

①地下室恒載。

柱子自重：25×8.4×0.6×0.6=75.6kN

頂板自重：25×0.25×2×8.4×8.4=882kN

底板自重：25×0.6×8.4×8.4=1058.4kN

疏水層自重：20×0.1×8.4×8.4=141.12kN

恒載自重：1.5×8.4×8.4×2=211.68kN

則地下室恒載為：

G1=75.6+882+1058.4+141.12+211.68=2368.8kN

②上部樓層恒載。

柱子自重：25×3.6×0.5×0.5×6=135kN

樓層梁板自重：

(25×0.3×0.7×8.4×2+25×0.3×0.55×8.4×3+25×0.12×8.4×8.4)×6=2423kN

樓層恒載：1.5×8.4×8.4×5=529.2kN

屋面板恒載：4×8.4×8.4=282.24kN

則上部樓層恒載為：

③恒載總重：

④水浮力：

即F>G，僅依靠結(jié)構(gòu)自重不滿足抗浮要求。

（2）抗浮方案的選擇。

①壓重法：

依據(jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 476－2019）[4]，壓重抗浮法穩(wěn)定性應(yīng)滿足式（3）要求：

式中:

G——結(jié)構(gòu)自重及其上作用的總荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

Gt——增加的壓重荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

S——驗算單元面積上浮力標(biāo)準(zhǔn)值總和，kN；

Ks——抗浮穩(wěn)定性安全系數(shù)，該工程取1.05。

即G+Gt=5738.24+Gt=5927.04×1.05，則Gt=485.152kN

若增加頂板厚度，則：

若選擇增加底板厚度，則因為增加了防水板的底標(biāo)高，浮力S也增加了，實際增加的抗浮自重G=H×(25-10-1.05)×8.4×8.4，所以增加筏板底厚度的方案不經(jīng)濟，不予以考慮。

②壓重法+局部抗浮錨桿：

依據(jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 476－2019）[4]，壓重法與抗浮錨固構(gòu)件聯(lián)合抗浮時，抗浮穩(wěn)定性應(yīng)滿足式（4）要求：

式中：

ΣR——錨固構(gòu)件抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值總和，kN。

經(jīng)計算可得ΣR=485.152kN

根據(jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 476－2019）[4]，錨桿直徑d=200mm，采用二次注漿，打入土層深度13m。

土層錨桿錨固長度應(yīng)按式（5）計算：

取Nt=250kN

則n=485.152/250=1.95≈2

綜合現(xiàn)場實際及經(jīng)濟效益等方面考慮，此工程采用壓重法+局部抗浮錨桿的抗浮方案，抗浮錨桿集中布置在柱網(wǎng)附近，但是并非所有工程的抗浮設(shè)計都適合用此方法，此方法只適合于在滿足地下結(jié)構(gòu)整體抗浮穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，還需要考慮局部抗浮的工程。若整體抗浮都不滿足要求，則不適用此方法[5]。

4 結(jié)束語

綜上所述，地下結(jié)構(gòu)中的抗浮設(shè)計直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計時，需結(jié)合工程地質(zhì)特點，通過技術(shù)、經(jīng)濟等多方面的論證，選擇合理的計算方法以及正確的計算模型對結(jié)構(gòu)構(gòu)件在水壓力作用下的強度和地下水浮力作用下的整體與局部抗浮穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計，并科學(xué)地選擇抗浮措施。