地下工程抗浮結構及與主體結構共同作用優化設計探討

李明琛，王　珺

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥　230009;2.合肥工業大學 建筑設計研究院，安徽 合肥　230009)

?

地下工程抗浮結構及與主體結構共同作用優化設計探討

李明琛1，王珺2

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥230009;2.合肥工業大學 建筑設計研究院，安徽 合肥230009)

摘要：文章通過有限元軟件Midas building和SAP2000模擬，探討抗浮錨桿的布置方式、抗浮錨桿剛度對筏板撓度、彎矩的影響，對比不同情況下筏板的撓度、彎矩，對抗浮工程進行多種抗浮結構方案分析優化，總結出具有普遍實用性的優化方案。

關鍵詞：抗浮錨桿；剛度；變形協調；有限元

1工程實例

隨著城市化發展,城市用地越來越緊張,需大量開發地下空間,而地下空間面臨最核心的問題就是抗浮設計[1-3]。在實際抗浮設計中,多采用抗浮錨桿[4-7]。

某地下室外地面標高H1為0 m,頂板頂面標高H2為1 m,頂板覆土厚度d0為1 m,覆土容重γ為20 kN/m3,設防水位標高Hw為0.5 m;頂板厚度d1為0.25 m,頂板主梁截面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;地下室長度為42 m,寬度為42 m,地下室層高h為6.5 m;底板為筏板基礎,底板厚度d2為400 mm,筏板上素混凝土厚度d3為200 mm,容重γ3為20 kN/m3,混凝土容重γ4為25 kN/m3。

2帶下柱墩筏板

帶下柱墩筏板平面布置如圖1所示。

圖1　帶下柱墩筏板平面布置圖

下柱墩尺寸為2.5 m×2.5 m,下柱墩加筏板厚d4為800 mm。選取圖1中A處柱網為計算單元,經計算,水浮力Fw為76 kN/m,柱網面積S為70.56 m2,抗浮力G總為3 200.83 kN。

2.1抗浮驗算

根據文獻[8],建筑物基礎存在浮力作用時,應進行抗浮穩定性驗算,即

其中,KW為抗浮穩定安全系數,一般情況下可取1.05;GK為建筑物自重及壓重之和;NW,K為浮力作用值,由NW,K=FWS=4 656.96 kN。再由

3 200.83=1 688.98 kN

由此可見，需要錨桿提供1 688.98 kN的力才能使圖1中A處抗浮穩定。

2.2計算簡圖

在計算中,為便于分析錨桿對筏板撓度、裂縫和配筋的影響,可以將板倒置,如圖2所示。在建模計算時,筏板及筏板上的素混凝土墊層自重不再計入[9]。

圖2　帶下柱墩筏板計算簡圖

此時,F1=1.35 Fwγ3d3γ4d2=88.2 kN/m。

2.3錨桿布置

運用Midas building和SAP2000對筏板建模,計算在筏板(除柱下位置)每個柱網內不布置錨桿、布置5根、8根錨桿情況下的筏板跨中撓度、彎矩。

每個柱網內錨桿布置如圖3所示。

圖3　每個柱網內錨桿布置圖

(1) 每個柱網內布置N=5根錨桿,每根錨桿的平均拉力F拉=F錨桿/N=337.80 kN;錨桿的預拉力F預拉力=F拉×0.75=253.35 kN,取F預拉力=254 kN。

(2) 每個柱網內布置N=8根錨桿,每根錨桿的平均拉力F拉=F錨桿/N=211.23 kN;錨桿的預拉力F預拉力=F拉×0.75=158.42 kN,取F預拉力=159 kN。

3梁板式筏板

梁板式筏板平面布置如圖4所示,圖中數字表示柱網編號,梁截面尺寸為350 mm×750 mm,筏板厚度d2為400 mm。

圖4　梁板式筏基平面布置圖

3.1計算單元

取圖4中C處柱網為計算單元,參照帶下柱墩筏板模型,經計算,G總=3 134.13 kN,F錨桿≥1.05NW,K-G總=1 755.68 kN。

同理,由F1=1.35 Fwγ3d3γ4d2=88.2 kN/m。

3.2錨桿布置

(1) 每個柱網內布置N=5根錨桿,每根錨桿的平均拉力F拉=F錨桿/N=351.14 kN;錨桿的預拉力F預拉力=F拉×0.75=263.35 kN,取F預拉力=264 kN。

(2) 每個柱網內布置N=8根錨桿,每根錨桿的平均拉力F拉=F錨桿/N=219.46 kN;錨桿的預拉力F預拉力=F拉×0.75=164.60 kN,取F預拉力=165 kN。

4不同錨桿布置方式的影響

4.1對撓度的影響

不同情況下，筏板撓度折線如圖5所示。

圖5　不同情況下筏板撓度折線圖

4.2對彎矩的影響

錨桿布置方式改變對應的筏板各彎矩值如圖6所示。圖6中,M1為帶下柱墩筏板邊跨的最大正彎矩,M2為帶下柱墩筏板邊跨的最大負彎矩,M3為梁板式筏基邊跨的最大正彎矩,M4為梁板式筏基邊跨的最大負彎矩。

圖6　錨桿布置方式改變對應的筏板各彎矩值

為簡化計算模型,可近似用彈簧模擬不同剛度的錨桿[10]。彈簧在一定變形內滿足Hooke's law,即F=-kx,k為彈簧剛度,x為彈簧變形。以梁板式筏基為例,在每個柱網內布置5根錨桿,其錨桿剛度變化對應的地下室筏板跨中撓度如圖7所示。

圖7　錨桿剛度變化對應的地下室筏板跨中撓度值

5結論

(1) 在筏板(除柱下位置)布置抗浮錨桿,能夠有效減小筏板的撓度、彎矩。

(2) 帶下柱墩筏板中,在每個柱網內不布置錨桿時的筏板撓度較大,在每個柱網內布置5根錨桿和8根錨桿時筏板的撓度比較接近,顯然布置5根錨桿節省錨桿,經濟性更好。

(3) 梁板式筏基中,在每個柱網內不布置錨桿時的筏板撓度較大,在每個柱網內布置5根錨桿和8根錨桿時筏板的撓度比較接近,顯然布置5根錨桿節省了錨桿,經濟性更好。

(4) 帶下柱墩筏板與梁板式筏基對比,梁板式筏基的撓度總體較小。

(5) 帶下柱墩筏板中,筏板的負彎矩絕對值比梁板式筏基的負彎矩絕對值要小,兩者筏板的正彎矩值接近。每個柱網內布置5根錨桿和布置8根錨桿時,其筏板的正負彎矩值接近。

(6) 筏板撓度隨著錨桿剛度的增大而減小,當錨桿剛度較小時,筏板撓度隨著錨桿剛度改變變化較大;當錨桿剛度較大時,筏板撓度隨著錨桿剛度改變變化較小。因此,可以通過對錨桿施加預應力改變錨桿的剛度,將錨桿剛度控制在一定值。

(7) 在工程上梁板式筏基施工較繁瑣,故應用較少,帶下柱墩筏板應用較多。

〔參考文獻〕

[1]周宗道.錨桿在地下室抗浮加固中的應用[J].土工基礎，2002,16(4)：18-20．

[2]賈金青,宋二祥.濱海大型地下工程抗浮錨桿的設計與實驗研究[J]．巖土工程學報，2002,24(6)：769-771．

[3]劉文挺,尤天直,張濤.大型地下停車庫的抗浮設計[J].建筑結構，2011,41(4)：1326-1330．

[4]吳帥，羅志國.預應力抗浮錨桿在多層地下室工程中的應用[J].山西建筑，2006,32(14)：100-101．

[5]王曉峰.預應力抗拔錨桿在體育館工程中的應用[J].基礎工程設計，2006(6):52-55．

[6]付文光，柳建國，楊志銀.抗浮錨桿及錨桿抗浮體系穩定性驗算公式研究[J].巖土工程學報，2014,36(11)：1971-1982．

[7]劉德海，張同波，于德湖.某工程局部整體抗浮失效分析[J].青島理工大學學報(自然科學版)，2015,36(1)：125-130．

[8]GB 50007-2011，建筑地基基礎設計規范[S]．

[9]CECS 22：2005，巖土錨桿(索)技術規程[S]．

[10]王賢能，葉蓉，鄭健昌．抗浮錨桿的應用實例[J]．地質災害與環境保護,2001,12(1)：68-71．

收稿日期：2016-03-29；修改日期：2016-04-01

作者簡介：李明琛(1992-)，男，安徽廣德人，合肥工業大學碩士生；

中圖分類號：TU473

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0239-03

王珺(1965-)，男，安徽桐城人，碩士，合肥工業大學教授級高工．