地下工程抗浮结构及与主体结构共同作用优化设计探讨

李明琛，王　珺

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥　230009;2.合肥工业大学 建筑设计研究院，安徽 合肥　230009)



地下工程抗浮结构及与主体结构共同作用优化设计探讨

李明琛1，王珺2

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥230009;2.合肥工业大学 建筑设计研究院，安徽 合肥230009)

摘要：文章通过有限元软件Midas building和SAP2000模拟，探讨抗浮锚杆的布置方式、抗浮锚杆刚度对筏板挠度、弯矩的影响，对比不同情况下筏板的挠度、弯矩，对抗浮工程进行多种抗浮结构方案分析优化，总结出具有普遍实用性的优化方案。

关键词：抗浮锚杆；刚度；变形协调；有限元

1工程实例

随着城市化发展,城市用地越来越紧张,需大量开发地下空间,而地下空间面临最核心的问题就是抗浮设计[1-3]。在实际抗浮设计中,多采用抗浮锚杆[4-7]。

某地下室外地面标高H1为0 m,顶板顶面标高H2为1 m,顶板覆土厚度d0为1 m,覆土容重γ为20 kN/m3,设防水位标高Hw为0.5 m;顶板厚度d1为0.25 m,顶板主梁截面b×h=0.5 m×1 m,次梁截面b×h=0.3 m×0.8 m,柱截面h1×h1=0.5 m×0.5 m;地下室长度为42 m,宽度为42 m,地下室层高h为6.5 m;底板为筏板基础,底板厚度d2为400 mm,筏板上素混凝土厚度d3为200 mm,容重γ3为20 kN/m3,混凝土容重γ4为25 kN/m3。

2带下柱墩筏板

带下柱墩筏板平面布置如图1所示。

图1　带下柱墩筏板平面布置图

下柱墩尺寸为2.5 m×2.5 m,下柱墩加筏板厚d4为800 mm。选取图1中A处柱网为计算单元,经计算,水浮力Fw为76 kN/m,柱网面积S为70.56 m2,抗浮力G总为3 200.83 kN。

2.1抗浮验算

根据文献[8],建筑物基础存在浮力作用时,应进行抗浮稳定性验算,即

其中,KW为抗浮稳定安全系数,一般情况下可取1.05;GK为建筑物自重及压重之和;NW,K为浮力作用值,由NW,K=FWS=4 656.96 kN。再由

3 200.83=1 688.98 kN

由此可见，需要锚杆提供1 688.98 kN的力才能使图1中A处抗浮稳定。

2.2计算简图

在计算中,为便于分析锚杆对筏板挠度、裂缝和配筋的影响,可以将板倒置,如图2所示。在建模计算时,筏板及筏板上的素混凝土垫层自重不再计入[9]。

图2　带下柱墩筏板计算简图

此时,F1=1.35 Fwγ3d3γ4d2=88.2 kN/m。

2.3锚杆布置

运用Midas building和SAP2000对筏板建模,计算在筏板(除柱下位置)每个柱网内不布置锚杆、布置5根、8根锚杆情况下的筏板跨中挠度、弯矩。

每个柱网内锚杆布置如图3所示。

图3　每个柱网内锚杆布置图

(1) 每个柱网内布置N=5根锚杆,每根锚杆的平均拉力F拉=F锚杆/N=337.80 kN;锚杆的预拉力F预拉力=F拉×0.75=253.35 kN,取F预拉力=254 kN。

(2) 每个柱网内布置N=8根锚杆,每根锚杆的平均拉力F拉=F锚杆/N=211.23 kN;锚杆的预拉力F预拉力=F拉×0.75=158.42 kN,取F预拉力=159 kN。

3梁板式筏板

梁板式筏板平面布置如图4所示,图中数字表示柱网编号,梁截面尺寸为350 mm×750 mm,筏板厚度d2为400 mm。

图4　梁板式筏基平面布置图

3.1计算单元

取图4中C处柱网为计算单元,参照带下柱墩筏板模型,经计算,G总=3 134.13 kN,F锚杆≥1.05NW,K-G总=1 755.68 kN。

同理,由F1=1.35 Fwγ3d3γ4d2=88.2 kN/m。

3.2锚杆布置

(1) 每个柱网内布置N=5根锚杆,每根锚杆的平均拉力F拉=F锚杆/N=351.14 kN;锚杆的预拉力F预拉力=F拉×0.75=263.35 kN,取F预拉力=264 kN。

(2) 每个柱网内布置N=8根锚杆,每根锚杆的平均拉力F拉=F锚杆/N=219.46 kN;锚杆的预拉力F预拉力=F拉×0.75=164.60 kN,取F预拉力=165 kN。

4不同锚杆布置方式的影响

4.1对挠度的影响

不同情况下，筏板挠度折线如图5所示。

图5　不同情况下筏板挠度折线图

4.2对弯矩的影响

锚杆布置方式改变对应的筏板各弯矩值如图6所示。图6中,M1为带下柱墩筏板边跨的最大正弯矩,M2为带下柱墩筏板边跨的最大负弯矩,M3为梁板式筏基边跨的最大正弯矩,M4为梁板式筏基边跨的最大负弯矩。

图6　锚杆布置方式改变对应的筏板各弯矩值

为简化计算模型,可近似用弹簧模拟不同刚度的锚杆[10]。弹簧在一定变形内满足Hooke's law,即F=-kx,k为弹簧刚度,x为弹簧变形。以梁板式筏基为例,在每个柱网内布置5根锚杆,其锚杆刚度变化对应的地下室筏板跨中挠度如图7所示。

图7　锚杆刚度变化对应的地下室筏板跨中挠度值

5结论

(1) 在筏板(除柱下位置)布置抗浮锚杆,能够有效减小筏板的挠度、弯矩。

(2) 带下柱墩筏板中,在每个柱网内不布置锚杆时的筏板挠度较大,在每个柱网内布置5根锚杆和8根锚杆时筏板的挠度比较接近,显然布置5根锚杆节省锚杆,经济性更好。

(3) 梁板式筏基中,在每个柱网内不布置锚杆时的筏板挠度较大,在每个柱网内布置5根锚杆和8根锚杆时筏板的挠度比较接近,显然布置5根锚杆节省了锚杆,经济性更好。

(4) 带下柱墩筏板与梁板式筏基对比,梁板式筏基的挠度总体较小。

(5) 带下柱墩筏板中,筏板的负弯矩绝对值比梁板式筏基的负弯矩绝对值要小,两者筏板的正弯矩值接近。每个柱网内布置5根锚杆和布置8根锚杆时,其筏板的正负弯矩值接近。

(6) 筏板挠度随着锚杆刚度的增大而减小,当锚杆刚度较小时,筏板挠度随着锚杆刚度改变变化较大;当锚杆刚度较大时,筏板挠度随着锚杆刚度改变变化较小。因此,可以通过对锚杆施加预应力改变锚杆的刚度,将锚杆刚度控制在一定值。

(7) 在工程上梁板式筏基施工较繁琐,故应用较少,带下柱墩筏板应用较多。

〔参考文献〕

[1]周宗道.锚杆在地下室抗浮加固中的应用[J].土工基础，2002,16(4)：18-20．

[2]贾金青,宋二祥.滨海大型地下工程抗浮锚杆的设计与实验研究[J]．岩土工程学报，2002,24(6)：769-771．

[3]刘文挺,尤天直,张涛.大型地下停车库的抗浮设计[J].建筑结构，2011,41(4)：1326-1330．

[4]吴帅，罗志国.预应力抗浮锚杆在多层地下室工程中的应用[J].山西建筑，2006,32(14)：100-101．

[5]王晓峰.预应力抗拔锚杆在体育馆工程中的应用[J].基础工程设计，2006(6):52-55．

[6]付文光，柳建国，杨志银.抗浮锚杆及锚杆抗浮体系稳定性验算公式研究[J].岩土工程学报，2014,36(11)：1971-1982．

[7]刘德海，张同波，于德湖.某工程局部整体抗浮失效分析[J].青岛理工大学学报(自然科学版)，2015,36(1)：125-130．

[8]GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范[S]．

[9]CECS 22：2005，岩土锚杆(索)技术规程[S]．

[10]王贤能，叶蓉，郑健昌．抗浮锚杆的应用实例[J]．地质灾害与环境保护,2001,12(1)：68-71．

收稿日期：2016-03-29；修改日期：2016-04-01

作者简介：李明琛(1992-)，男，安徽广德人，合肥工业大学硕士生；

中图分类号：TU473

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)02-0239-03

王珺(1965-)，男，安徽桐城人，硕士，合肥工业大学教授级高工．