抗浮錨桿在結(jié)構(gòu)設(shè)計中計算方法的合理選擇

冷利浩

(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610081)

如今的高層建筑多采用高層塔樓帶大底盤地下室的建筑形式。在地下水位較高的場地,無上部高層結(jié)構(gòu)的純地下室部分就會有上浮的可能。此時,一般可采用地下室配重、增設(shè)抗浮錨桿或抗拔樁的方法來解決地下室抗浮的問題。而其中的增設(shè)抗浮錨桿的方法是一種經(jīng)濟又行之有效的解決辦法。

不過,抗浮錨桿不像抗拔樁,抗浮錨桿的設(shè)計并無明確的規(guī)范條文以及論述。雖然規(guī)范規(guī)定錨桿抗拔承載力特征值應通過現(xiàn)場試驗確定,但在初步設(shè)計及施工圖設(shè)計階段仍需對單根錨桿的抗拔承載力特征值以及錨固長度等進行估算。那么我們在錨桿設(shè)計的估算中應該如何計算呢?

1 現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范條文

在《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007— 2002)、《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330— 2002)、《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》CECS22:2005、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94— 2008)、《土層錨桿設(shè)計與施工》CECS22:90以及《錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)程》(GB 50086—2001)等規(guī)范與規(guī)程中都有關(guān)于錨桿計算的條文。

我們先來看一下各個規(guī)范規(guī)程中有關(guān)于錨桿的計算公式:

1.1 《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》CECS22:2005

第 7.4.1條鋼錨桿的桿體的截面面積應按下式確定:

Kt為錨桿桿體的抗拉安全系數(shù),按 7.3.2條選取;

Nt為錨桿的軸向拉力設(shè)計值(kN);

fyk、fptk為鋼筋、鋼絞線的抗拉強度標準值(kPa)。

第 7.5.1條錨桿或單元錨桿的錨固長度可按下式估算,并取其中的較大值:

K為錨桿錨固體的抗拔安全系數(shù),按表 7.3.1選取;

Nt為錨桿或單元錨桿的軸向拉力設(shè)計值(kN);

La為錨桿錨固段長度(m);

fmg為錨固段注漿體與地層間的粘結(jié)強度標準值(kPa),通過實驗確定;當無試驗資料時,可按表 7.5.1-1或表7.5.1-2取值;

fms為錨固段注漿體與筋體間的粘結(jié)強度標準值(kPa),通過實驗確定;當無試驗資料時,可按表 7.5.1-3取值;

D為錨桿錨固段的鉆孔直徑(mm);

d為鋼筋或鋼絞線的直徑(mm);

ξ為采用 2根或 2根以上鋼筋或鋼絞線時,界面的粘結(jié)強度降低系數(shù),取 0.6～0.85;

n為鋼筋或鋼絞線根數(shù)。

1.2 《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2002)

第 7.2.1條錨桿的軸向拉力標準值和設(shè)計值可按下式計算:

Nak為錨桿軸向拉力標準值(kN);

Na為錨桿軸向拉力設(shè)計值(kN);

Htk為錨桿所受水平拉力標準值(kN);

α為錨桿傾角(°);

γQ為荷載分項系數(shù),可取 1.30,當可變荷載較大時應按現(xiàn)行荷載規(guī)范規(guī)定。

第 7.2.2條錨桿鋼筋截面面積應滿足下式的要求:

As為錨桿鋼筋或預應力鋼絞線截面面積(m2);

ξ2為錨筋抗拉工作條件系數(shù),永久性錨桿取 0.69,臨時性錨桿取 0.92;

γ0為邊坡工程重要性系數(shù);

fy,fpk為鋼筋或預應力鋼絞線抗拉強度設(shè)計值(kPa)。

第 7.2.3條錨桿錨固體與地層的錨固長度應滿足下式要求:

la為錨固段長度(m);尚應滿足 7.4.1條要求;

D為錨固體直徑(m);

frb為地層與錨固體粘結(jié)強度特征值(kPa),應通過實驗確定,當無試驗資料時可按表 7.2.3-1和表 7.2.3-2取值;

ξ1為錨固體與地層粘結(jié)工作條件系數(shù),對永久性錨桿取1.00,對臨時性錨桿取 1.33。

第 7.2.4條錨桿鋼筋與錨固砂漿間的錨固長度應滿足下式要求:

la為錨桿鋼筋與砂漿間的錨固長度(m);

d為錨桿鋼筋直徑(m);

n為鋼筋(鋼絞線)根數(shù)(根);

γ0為邊坡工程重要性系數(shù);

fb為鋼筋與錨固體砂漿間的粘結(jié)強度設(shè)計值(kPa),應由試驗確定,當缺乏試驗資料時可按表 7.2.4取值;

ξ3為鋼筋與砂漿粘結(jié)強度工作條件系數(shù),對于永久性錨桿取 0.60,對于臨時性錨桿取 0.72。

1.3 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2002)

第 8.6.3條對于設(shè)計等級為甲級的建筑物,單根錨桿抗拔承載力特征值 Rt應通過現(xiàn)場試驗確定;對于其他建筑物可按下式計算:

d1為錨桿孔直徑(m);

l為錨桿的有效錨固長度(m);

f為砂漿與巖石間的粘結(jié)強度特征值(MPa),可按表6.7.6選用。

1.4 《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)

如果將錨桿看作打入土(巖)層中的樁則可按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計算。

第 5.4.6條第 2條第 1小條:

群樁呈非整體破壞時,基樁的抗拔極限承載力標準值可按下式計算:

Tuk為基樁抗拔極限承載力標準值;

ui為樁身周長,對于等直徑樁取 u=πd;對于擴底樁按表 5.4.6-1取值;

qsik為樁側(cè)表面第 i層土的抗壓極限側(cè)阻力標準值,可按本規(guī)范表 5.3.5-1取值;

λi為抗拔系數(shù),可按表 5.4.6-2取值。

第 5.8.7條鋼筋混凝土軸心抗拔樁的正截面受拉承載力應符合下式規(guī)定:

N為荷載效應基本組合下樁頂軸向拉力設(shè)計值;

fy、fpy為普通鋼筋、預應力鋼筋的抗拉強度設(shè)計值;

As、Apy為普通鋼筋、預應力鋼筋的界面面積。

1.5 公式比較

通過比較上面幾個規(guī)范或規(guī)程中關(guān)于錨桿的計算公式不難看出其計算的原理都是一樣的。錨桿的長度計算類似于樁的計算,都是將錨桿所受的拉力除以單位長度錨桿與土的粘結(jié)力(摩擦力)或除以單位長度鋼筋與錨固砂漿的粘結(jié)力得出的。而錨桿中錨筋的計算都是按軸心受拉來進行的。不同的有以下幾點。

(1)各個規(guī)范公式中取的計算系數(shù)各不相同。

(2)在計算錨桿長度時,《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》采用的是設(shè)計值,而其余的規(guī)范(規(guī)程)采用的是標準值(特征值)。

(3)關(guān)于錨桿中鋼筋的計算,都采用的是設(shè)計值。所不同的是《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中的設(shè)計值并不是采用荷載規(guī)范的規(guī)定計算得出,而是通過標準值乘以一個荷載分項系數(shù)得出的。而《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》并沒有給出相應的計算公式。

那么這幾個規(guī)范的計算公式上的區(qū)別在實際工程設(shè)計應用中會產(chǎn)生怎樣的差異呢?下面我們通過對一個實際工程的具體計算來進行比較。

2 計算比較

成都某工程,三層地下室,水頭高度 9.4m,地下室部分結(jié)構(gòu)主體自重 52 kN/m2,錨桿間距 2m×2m。則水浮力標準值為 9.8×9.4-52=40.12 kN/m2,設(shè)計值為 1.2×9.8×9.4-52=58.54 kN/m2(水位常年變化幅度不大)。單根錨桿的軸向拉力標準值為 161 kN,設(shè)計值為234 kN。錨桿錨固土(巖)層為強風化泥巖層。

2.1 《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》 CECS22:2005

2.2 《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2002)

由上可知,錨桿最小長度應為2.5m。

2.3 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2002)

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第 7.4.1條軸心受拉構(gòu)件正介面計算公式,

2.4 《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)

2.5 結(jié)果比較

將上述的計算結(jié)果列成表,表中括號內(nèi)部分是指相應結(jié)果與根據(jù)《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》計算出的結(jié)果的比值。

?

通過對結(jié)果的比較,我們不難看出:

(1)對于錨桿長度的計算,《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》所計算的長度最長;《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》所計算的最短;而《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》與《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》的計算結(jié)果相近,位于中間值。

(2)對于錨桿內(nèi)鋼筋的計算,《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》與《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》的計算結(jié)果接近;而《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》與《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》的計算公式完全一樣,但因其未考慮鋼筋的安全系數(shù),其計算的結(jié)果鋼筋面積偏小。

3 結(jié) 論

采用錨桿進行抗浮,其方法較簡單,經(jīng)濟性較高,但沒有專門的計算規(guī)范和公式。根據(jù)對于相關(guān)規(guī)范中相應公式的比較并通過具體工程實例的計算,可以得出以下結(jié)論:

(1)在抗浮設(shè)計中,一般宜采用《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》進行計算,其計算結(jié)果偏于安全。不宜采用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》進行錨桿長度的計算。對于錨桿鋼筋的計算,也宜采用《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》的計算公式,其計算結(jié)果偏于安全。

(2)建議有關(guān)部門抓緊制定抗浮錨桿設(shè)計及施工的規(guī)范,以指導目前越來越廣泛的抗浮錨桿的設(shè)計、施工及檢測。

[1]CECS 22:2005巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程[S]

[2]GB 50330-2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S]

[3]GB 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]

[4]JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S]