某地下室抗浮設計

陳 一

(福州市建筑設計院 福建福州 350001)

引言

隨著城市的高速發展，高層建筑或超高層建筑將越來越多，大量的高層建筑物為了滿足人防指標、停車位數量和整體安全性的需要，不斷加大基礎埋深，使地下室向多層和超深的規模發展。由于地下水的存在，基礎底板埋深越大，地下室結構需要承受的水浮力作用也越大，這對結構將產生不利影響。因此，抗浮設計是地下室設計中的重要問題。

本文結合一個工程實例，介紹如何應用PKPM軟件進行地下室的抗浮設計。

1 工程概況

本工程位于福州市馬尾區，地上三棟高層建筑，地下二層地下室，上部采用剪力墻結構，純地下室部分采用框架結構，地下室人防等級核6級。地下室部分建筑面積26323，大部分柱網雙向跨度均在8m以上。建筑正負零標高為羅零高程8.45m，室外地面相對標高為－0.45m，地下室頂板板面相對標高為－1.25m，覆土800mm。底板板厚取400mm，相對標高為－9.9m(即羅零高程－1.45m)，上設200mm厚疏水層。

根據勘察報告，本工程位于閩江江邊，場地地下水與場地邊的閩江水力聯系較密切、具隨季節呈互補關系特征，抗浮設防水位按設計使用年限內最高洪水位確定，為羅零標高6.50m，常水位為羅零5.00m，抗浮水位與地下室標高剖面關系如(圖1)。本工程基礎采用500徑PHC管樁，單樁豎向承載力特征值2500kN，可兼作抗拔樁，單樁抗拔承載力特征值550kN。

由于地下室深度很大，所以地下室底板承受的水浮力也很大，抗浮設計是本工程地下室設計的重中之重。

圖1 抗浮水位與地下室標高剖面關系

2 整體抗浮驗算

根據《基礎設計規范》[1]第5.4.3條，地下室抗浮穩定性應符合下式

其中GK為建筑物自重及壓重之和(正向荷載)，NWK為浮力作用值(反向荷載)，KW為抗浮安全系數，通常取1.05。當上式不滿足時，可采用增加壓重或設置抗浮構件等措施。

對于整體抗浮驗算，有些設計人員只計算上部結構總自重標準值大于總的水浮力設計值的1.05倍，就認為抗浮設計滿足要求，這種做法是錯誤的。對大面積地下室上建有多棟高層建筑的情況，建筑的自重不均勻，上部為高層的部分，由于結構自重遠比水浮力大，通常不存在抗浮問題;純地下室部分，自重相對較小，一般情況下，結構自重無法抵抗地下水浮力，同時各處柱的受荷面積不同，自重與水浮力的差值也不同，所以應進行分區、分塊的抗浮驗算，驗算各柱下的壓力能否平衡它所影響區域內的水浮力總值。通過PKPM軟件我們可以輕松實現這一點。

我們可以通過PKPM建立包括底板層在內的地下室模型，頂板層和地下一層的荷載輸入不再贅述。對于底板層，受到正反兩個方向的荷載，正向恒載為底板梁板自重及底板面層荷載;反向荷載為水浮力，設計水位取抗浮水位。其中，梁板自重PKPM會自行計算，水浮力標準值Ffk和底板面層Gm可按如下計算:

Ffk=10×(6.5+1.45)=79.5kN/m2(↑)

Gm=20×0.2=4 kN/m2(↓)

所以，我們可以在底板層恒載項中輸入荷載:

－79.5x1.05+4= －79.5 kN/m2，

經過PKPM整體模型計算后，查詢各柱在恒載下的柱底力，若為負值則表示正向荷載大于反向荷載;若為正值，則可根據此數值設計抗拔樁，應保證單根柱下布置的抗拔樁的抗拔承載力特征值之和大于該值與樁基自重之差。綜合考慮在無水浮力情況下的抗壓樁布置，可以確定本工程的樁基布置

3 地下室底板設計

本工程基礎梁跨度大，剛度遠小于相連承臺的剛度，故計算地下室底板梁板時，可將承臺作為基礎梁板的剛性支座。利用PKPM建模時，將承臺按相同尺寸的柱輸入，各承臺間設一道基礎梁聯系，梁中與承臺中心連線對齊，在總信息中選擇不計算地震力和風荷載，并選擇“梁柱重疊部分簡化為剛域”。接下來的關鍵是荷載的確定。

作用在底板上的荷載包括正反兩個方向，在進行底板結構設計時，應根據實際工程情況考慮各種荷載最不利組合。由于地下室為人防地下室，應考慮人防和非人防兩種情況:

當無人防荷載組合時，地下水位取抗浮設計水位。根據《建筑結構可靠度設計統一標準》[5]，當可變荷載效應對結構構件的承載能力有利時，可變荷載分項系數應取為0，即不考慮有利活載;根據《荷載規范》[3]中第3.2.4條規定，抵抗水浮力的自重作為永久荷載，有結構有利時分項系數取1.0;在該條第3款中，“對結構傾覆、滑移和漂浮驗算，荷載的分項系數應按有關結構設計規范的規定采用”，查閱相關的結構設計規范，只有《給排水工程構筑物結構設計規范》[6]第5.2.2條提到了關于水浮力可變荷載的分項系數取1.27，故本工程將水浮力的分項系數取1.3。

抗浮設計水位下，底板上水浮力標準值為79.5(↑)，正向恒載標準值為0.4×25+0.2×20=14kN/m2(↓)。所以非人防情況下底板荷載設計值為:1.3×79.5－14=89.35kN/m2。

在人防荷載組合時，設計水位取常水位羅零5.0m，凈水壓力標準值為10×(5+1.45)=64.5kN/m2。根據《人防規范》[4]第4.10.2 條，底板荷載設計值為:1.2 ×64.5 －14+25=88.4kN/m2。

由上可知，非人防工況下底板荷載及配筋大于人防工況，可只計算非人防工況。由于我們將荷載輸入在PKPM中的恒載項，故輸入荷載為89.35/1.35=66.2kN/，并在荷載定義中選擇不自動計算現澆板自重。底板梁板均采用HRB400鋼筋，根據《混凝土規范》[2]第8.5.1條注2，底板鋼筋的最小配筋率為45×1.43/360=0.18%。

4 方案改進

4.1 問題的提出

通過以上方法進行底板梁板配筋計算后，發現由于水浮力較大且柱網尺寸較大，所以底板配筋很大。為減少配筋節省造價，擬通過把部分原來承臺間的單梁改為雙梁，如原600×1000布于兩承臺中心連線的單梁改為兩道300×1000布于承臺間樁心連線的梁，底板板厚仍取400mm不變，從而減小板跨，進而減小配筋。取其中一個8.4m×9.5m的典型板塊，二者布置對比如(圖2、圖3)。

圖2 單梁方案基礎梁布置

圖3 雙梁方案基礎梁布置

4.2 模型修改

要實現以上的布置修改，原本將承臺按柱輸入的方法難以模擬，故在模型中輸入承臺中各樁連線，并在連線上布墻，圍起的部分可模擬一個承臺，然后按新的布置輸入基礎梁。

模型建立后，我們首先輸入79.5的恒載，算出底板在1.05倍水浮力作用下，圍成承臺的各道墻向上的凈作用力標準值，將其相加可得每個承臺受到向上的凈作用力標準值。然后建模計算，在地下室頂板和地下一層恒載作用下，地下室各柱的柱底力標準值。二者相減的值應小于該承臺下抗拔樁的總抗拔承載力標準值與該承臺自重之和。經計算，原樁基布置滿足要求。

4.3 單雙梁方案比較

對比單雙梁方案的梁板配筋，仍以之前8.4m×9.5m的板塊為例。單梁方案基礎梁配筋計算結果如(圖4)，底板配筋時考慮承臺的有利影響，輸入墻來模擬承臺，底板配筋結果見(圖5)。雙梁方案的基礎梁板配筋計算結果見(圖6、圖7)。

圖4 原設計基礎梁計算配筋結果

圖5 原設計底板配筋面積圖

通過工程量統計，單雙梁方案的混凝土用量基本相同，底板梁板單位面積鋼筋用量如(表1)。

表1 新舊方案底板梁板單位面積鋼筋用量

圖6 新方案基礎梁計算配筋結果

圖7 新方案底板配筋面積圖

通過以上圖表對比可見，修改方案后，基礎梁總配筋差別不大，底板配筋每平米減少10.1kg、減少了21%，節省了造價。

5 結語

(1)在進行地下室抗浮設計時，正確分析受力及荷載取值是重點，合理應用計算程序輔助，建立一個比較符合實際受力情況的模型，能使我們的設計更趨合理。

(2)承臺作為基礎梁的剛性支座，改單梁為雙梁后，基礎梁配筋基本不變，由于計算板塊跨度明顯減小，可以使底板配筋大大減小，節省了造價。施工中應注意基礎梁縱向鋼筋錨入承臺內長度應從樁邊起算，并滿足錨固長度要求。

[1]GB50007－2011，建筑地基基礎設計規范[S].

[2]GB50010－2010，混凝土結構設計規范[S].

[3]GB50009－2012，建筑結構荷載規范[S].

[4]GB50038－2005，人民防空地下室設計規范[S].

[5]GB50068－2001，建筑結構可靠度設計統一標準[S].

[6]GB50069－2002，給水排水工程構筑物結構設計規范[S].