帶主樓地下室抗浮錨桿變剛度設計

在城市建設中，地下空間開發(fā)越來越多，地下結構的抗浮問題也越來越顯著。當?shù)叵率衣裰幂^深，地下水位較高時，結構將受到較大的水浮力，在南方地區(qū)，靠近江河湖海的位置，地下室抗浮問題更加顯著。近年由于抗浮設計不當而引發(fā)的事故越來越多，因此，對抗浮設計必須足夠重視。常見的抗浮破壞主要有柱頂開裂、底板和外墻滲水等，地下室一旦發(fā)生破壞，將會帶來較大經(jīng)濟損失和較壞的社會影響。常用抗浮措施有泄水減壓法、增加配重法、抗浮錨桿（抗拔樁）等，其中抗浮錨桿具有造價低、工期短、施工方便等優(yōu)點，在工程中應用廣泛。對于帶主樓的地下室結構，傳統(tǒng)錨桿設計方法假定錨桿均勻受力，不能考慮主樓和地下室之間剛度變化，該假定與實際受力差別較大。為此采用midas有限元軟件建立整體模型進行抗浮整體分析，并對比常用錨桿設計方法，提出變剛度的錨桿設計方法，以使帶主樓地下室的錨桿設計更加經(jīng)濟合理。1?結構剛度對抗浮錨桿的影響傳統(tǒng)抗浮錨桿布置是根據(jù)整體抗浮穩(wěn)定驗算，將錨桿需承擔的力作為水浮力減去永久荷載，再將錨桿需承擔的力除以單根錨桿的承載力即為所需錨桿數(shù)量，錨桿均勻布置在地下室底板底部，認為錨桿均勻受力。這種布置方法是假定上部結構剛度和基礎剛度均無窮大，基底壓力的分布是均勻的。而在實際工程中，上部結構和基礎剛度均不可能無窮大，上部結構和基礎的有限剛度會對錨桿的受力產生影響。因此，在水浮力作用下，地下室底板的變形不一致，其下錨桿所受的拉力實際也是不均勻的。1.1?單建地下室在地下水池或單建地下停車場的情況下，底板在承受均勻水浮力時，如果整體抗浮不滿足要求，結構整體會上浮，底板受向上均布水浮力，而柱底相當于底板的彈性支座，底板變形如圖1所示，此時整體結構產生位移，會影響建（構）筑物的使用功能，底板下均勻布置抗浮錨桿，錨桿受力與底板在水浮力作用下的變形相一致，錨桿相當于固定支座，底板受力以錨桿間距的板跨計算。圖1?單建地下室底板變形示意1.2?帶上部結構的地下室?guī)в猩喜拷Y構的地下室，不考慮上部結構時，底板在水浮力作用下受力形式與單建地下室一致，但是由于上部結構通常結構高度較高，荷載較大，在主樓基礎位置，在水浮力作用下不會產生向上位移（或會產生向下位移），如圖2所示，因此會導致底板受力發(fā)生變化，主樓位置在水浮力作用下，可以看作是固定支座，其余純地下室部分在水浮力作用下，底板會產生向上的位移，但底板的位移分布與主樓的間距及純地下室的結構剛度均有關，此時布置在底板的錨桿受力也會較復雜。因此，合理設置錨桿，錨桿可承擔一部分水浮力，同時減小底板變形和內力，同時，錨桿設計時需考慮到上部結構和基礎剛度的作用。圖2?帶上部結構的多層地下室底板變形示意2?工程實例2.1?工程簡介案例工程為武漢市某地產項目，為5棟高層住宅（塔樓）含2層地下室。地下室將塔樓和裙房在地下連為一體，地下室平面尺寸為124m×133m。塔樓為28層，房屋高度84m，采用筏形基礎；地下室共2層，頂板覆土厚度1.2m，地下1層層高3.7m，地下2層層高3.7m，地下室標準柱網(wǎng)7.8m×4.9m，基礎采用平板式筏形，局部采用下柱墩滿足抗沖切要求，持力層為粘土層。根據(jù)地勘報告提出的抗浮設防水位可取至室外道路面，相對于本項目相對標高為–1.400m，地下室底板底（厚度500mm）標高為–9.400m，抗浮水頭H=8.0m。根據(jù)本項目地質報告，場區(qū)地貌單元屬漢江Ⅱ級階地低壟崗地貌，地勢平坦，地面標高為21.310~22.550m，土層自上而下分布為：人工填土層（①）0.5~3.8m、粘土層（③1）1.3~9.8m、粉質粘土層（③2、④1、④2地下室持力層）3.5~15.0m、含中粗砂卵礫石（⑤）1.1~5.4m、粉砂質泥巖（⑥1、⑥2）2.0~13.5m。其中⑤含中粗砂卵礫石含承壓水，但因該土層埋藏較深，經(jīng)驗算，可不考慮該層承壓水對本地下室抗浮的影響，故本項目考慮土層錨桿。2.2?錨桿基本試驗通過錨桿試驗可知，錨桿的承載力特征值和錨桿的線剛度。錨桿的線剛度是錨桿參與整體模型計算的一個重要參數(shù)。錨桿的受力是靠錨桿周圍土的摩擦力作用逐漸傳遞到土中的，與土層性質有關，現(xiàn)階段錨桿的模擬主要是把錨桿簡化成受拉彈簧，假設錨桿在設計承載力產生的是彈性變形，錨桿剛度接近彈性。本項目錨桿設計為土層錨桿，錨桿有效長度不小于8m且錨桿進入④1層粉質粘土層不小于2m。錨桿直徑200mm，錨桿承載力特征值Rt=150kN，錨桿施工前，先進行錨桿試驗。由于本場地土層均勻，故選取3個點做錨桿基本試驗，試驗數(shù)據(jù)如圖3~圖6所示。

圖3?試驗錨桿S1荷載–位移曲線圖4?試驗錨桿S2荷載–位移曲線

圖5?試驗錨桿S3荷載–位移曲線圖6?試驗錨桿S1~S3荷載–位移曲線

根據(jù)3組錨桿基本實驗數(shù)據(jù)可得，本項目錨桿剛度取彈性位移階段剛度K=87kN/mm。2.3?傳統(tǒng)錨桿布置方法根據(jù)傳統(tǒng)方法計算布置錨桿，地下室柱網(wǎng)7.8m×4.9m，自重52.4kN/m，水浮力78.4kN/m，抗浮安全系數(shù)取1.05，計算可得每平米所需提供的抗拔承載力為35.20kN，單根錨桿承載力特征值為150?kN，即一根錨桿所承擔的面積為4.26?m2，錨桿在主樓基礎以外范圍內均勻布置，錨桿按矩形布置，間距為1.7m×2.45m，總錨桿數(shù)量2139根（抗浮計算時，上部結構的荷載按規(guī)范取0.9倍的永久荷載）。2.4?整體模型分析錨桿受力由于錨桿數(shù)量較多，為使錨桿設置得更合理、經(jīng)濟，建立了包括上部結構、底板和錨桿的整體計算模型，考慮上部結構基礎對地下室基礎的貢獻。由于是2層地下室的框架結構，純地下室部分框架結構的剛度也較大，在水浮力作用下，兩個塔樓之間的純地下室部分會按剛度產生不均勻的變形，均勻布置的錨桿受力也不均勻。考慮到常規(guī)軟件對底板剛度模擬上過于簡化，且均假設每個柱下均為不動點計算錨桿，不能考慮上部永久載與水浮力同時作用時底板的實際變形情況。采用midas有限元軟件進行建模分析，錨桿采用彈簧剛度來模擬，彈簧剛度由基本試驗得出，柱下底板采用彈性連接來模擬地基土的作用，真實考慮底板和上部結構剛度及上部結構荷載的作用對錨桿的影響，整體計算模型如圖7所示。圖7?整體計算模型針對整體模型計算，在未施加錨桿時，底板最大變形438mm，當均勻施加錨桿后，最大位移2.2mm。按傳統(tǒng)布置方法施加錨桿發(fā)現(xiàn)，均勻布置在底板下的錨桿受力并不均勻，在靠近主樓筏形區(qū)域錨桿拉力為0~55kN，不到錨桿承載力特征值的1/3，在兩個塔樓中間區(qū)域錨桿拉力為168~176kN，遠超過了錨桿的承載力特征值，其余位置錨桿拉力為135~145kN，如圖8~圖9所示。均勻布置錨桿的方式將樁頂簡化為固定支座，認為錨桿受力均勻，且所有錨桿均發(fā)揮全部的抗浮能力，這種假設不合理，忽略了底板支座之間的變形差別，造成結構和底板抗浮能力不足或錨桿布置浪費。采用整體模型，可避免傳統(tǒng)方法的缺陷，根據(jù)底板的變形情況布置錨桿，改變之前的均勻布置的方法。結合地下室在豎向荷載作用下的底板變形，基礎的變剛度調平設計，地下室錨桿也可按在水浮力向上作用時底板的變形特征，進行變剛度設計。圖8?主樓區(qū)域錨桿受力（傳統(tǒng)布置）圖9?中間區(qū)域錨桿受力（傳統(tǒng)布置）2.5?錨桿變剛度設計（1）變剛度1。在錨桿剛度不變的情況下，按底板變形規(guī)律，調整錨桿的間距，即在靠近主樓筏形位置的錨桿取消，在靠近兩棟主樓的中間區(qū)域，錨桿間距適當加密。針對本工程錨桿優(yōu)化如下：取消主樓周邊拉力較小的錨桿，在兩棟主樓中間一跨位置的錨桿間距調整由1.7m×2.45m調整為1.7m×2.05m，使錨桿受力和底板的變形相協(xié)調。調整后，錨桿根數(shù)減小212根，減少10%。以9軸為例，傳統(tǒng)均勻布置方法時，底板最大正彎矩315.5kN·m，最大負彎矩–87.1kN·m，采用變剛度布置時，相同位置最大正彎矩280.5kN·m，最大負彎矩–47.1kN·m，最大正彎矩減小10.9%，最大負彎矩減少40%。調整后錨桿內力、底板變形及底板彎矩如圖10~圖12所示。圖10?底板的位移圖11?主樓筏形區(qū)域錨桿受力（變剛度1）圖12?中間區(qū)域錨桿受力（變剛度1）（2）變剛度2：由前兩個模型的計算結果可知，底板剛度對錨桿的受力影響較大。根據(jù)整體模型的底板變形可知，如果底板剛度無限大，塔樓在水浮力作用下又是不動點，則地下室底板部分在水浮力作用下也不會產生變形，不用布置錨桿。而實際設計中無法做到底板剛度無限大，因此可以考慮適當增加底板剛度，以減小底板變形，減小錨桿承載力。本項目中，考慮在主樓周邊一跨范圍內底板較之前加厚200mm，其余位置較之前加厚100mm，除主樓范圍受壓錨桿取消外，其余錨桿間距取1.95m×2.45m，進行整體計算，錨桿受力如圖13、圖14所示。根據(jù)計算結果可以看出，在標準柱跨內的錨桿，錨桿內力相差較小，錨桿內力在109~139kN分布，錨桿內力分布更均勻，錨桿承載力特征值可以取140kN。同樣以9軸為例，底板最大正彎矩為279.5kN·m，最大負彎矩為–49.1kN·m，與變剛度1所對應彎矩相接近。采用底板局部加厚的變剛度設計方法可得，底板剛度越大，錨桿內力越均勻。圖13?主樓筏形區(qū)域錨桿受力（變剛度2）圖14?中間區(qū)域錨桿受力（變剛度2）通過以上3種模型對比分析可知，錨桿設計采用變剛度設計方法相比傳統(tǒng)均勻布置的方法更加經(jīng)濟合理，采用變剛度1的方法，錨桿數(shù)量及底板彎矩均可以減少，經(jīng)濟性效果好，采用變剛度2的方法，底板剛度增加，錨桿受力逐漸均勻，但對底板彎矩減少貢獻較小，針對本項目，采用變剛度1的方案較合理。3?結束語（1）按傳統(tǒng)方法布置錨桿，考慮上部結構剛