淺析建筑物抗浮設計

張曉川

摘 要：一直以來，建筑物的抗浮設計都是工程設計人員的重要關注點，建筑物的地基基礎抗浮設計是地基基礎設計的重要內容之一。該文首先對地下水位的判斷以及地下水浮力的計算進行了說明，對建筑物基礎抗浮重要性及水位的判斷進行探討，在基礎抗浮荷載及安全系數的計算基礎上闡述了主要的抗浮方法及其適用性；其次，對抗水板的設計進行了細致探討；最后，提出了增加抗浮錨桿的基礎抗浮設計方法。

關鍵詞：抗浮錨桿；抗浮設計水位；錨桿抗拔力設計值

中圖分類號：TU241 文獻標志碼：A

隨著城市現代化的高速發展，地下空間的利用也越來越被重視，在大城市中，兩層地下室的高層建筑已非常常見，3～5層地下室的大型公共建筑也越來越多。地下水對建筑物的影響已不可忽視，在有些區域甚至起控制作用，在帶裙樓高層建筑及大底盤高層建筑中表現得尤為突出。目前，由于抗浮問題考慮不充分而發生建筑損壞的例子已屢見不鮮。在結構基礎設計時，設計人員應謹慎思考地下環境的每一處影響。

1 地下水的浮力與抗浮設計水位

1.1 判斷地下水位

對于建筑物的抗浮設計來說，地下水位的判斷非常關鍵，此工作通常由地勘單位來完成。由于地下水的不確定性及地質復雜性，需要勘察人員運用專業的技術并通過觀察當地的地質條件，結合自身的經驗得出。

首先，查明地下水類型、埋藏條件、補給及排泄條件及穩定水位；提供季節變化幅度和各主要地層的滲透系數。提供地下水水質簡分析報告，判定水質和土是否對建筑材料具有腐蝕性。然后根據區域水文地質資料，判斷場地潛水地下水位年變化幅度，枯水期時段范圍及豐水期時段范圍。最后結合歷史記錄得出抗浮設計水位。此抗浮設計水位可作為結構設計人員抗浮設計的依據。

1.2 計算地下水浮力

建筑物基底水浮力為：F（kN/m2）=H×rw

其中，H為地下水水頭高度（抗浮設計水位高度減建筑物基底高度）， rw為水的重度。

在建筑整體抗浮計算時，此水浮力可直接使用。當進行地下室抗水板及錨桿配筋設計時還應乘以分項系數（通常為1.35）。

2 建筑物純地下室的抗浮設計

在高層建筑中，主樓由于樓層較多通常可不考慮抗浮設計，而純地下室則是抗浮設計的主要考慮對象。

2.1 整體抗浮荷載

基礎抗浮荷載計算公式：Q=F-G

式中：F為水浮力標準值；G為結構自重及其他永久荷載標準值之和；整體抗浮計算時可不考慮分項系數。

G=各樓層結構自重（包括地下室底板）+各層建筑面層重量+地下室頂板覆土重

2.2 抗浮穩定驗算安全系數K

K=G/F

式中：G為結構自重及其他永久荷載標準值之和；F為水浮力標準值。

根據我國現行規范規定，抗浮穩定驗算一般采用單一安全系數，安全系數K≥1. 05。

當不滿足時應采用抗浮措施保證建筑物的安全。

2.3 主要的抗浮方法及其適用性

抗浮方法各有不同，抗浮錨桿作為地下室抗浮設計的主流具有一定的優越性，下面著重討論抗浮錨桿的設計方法。

Nak= （F-G）×b2

Nak為錨桿承受的拔力標準值；F為水浮力標準值；G為結構自重及其他永久荷載標準值之和；b為錨桿間距。

錨桿抗拔承載力計算：

根據《建筑邊坡工程技術規范》GB 50330—2013

桿體截面：As≥KbNak/fy

As為錨桿鋼筋面積；Kb為抗拉安全系數；fy為鋼筋抗拉強度設計值。

錨桿長度按下列公式計算并取大值

La>KNak/πDfrbk

La>KNt/nπd fb

La>1.35Nak/ b2r

La為錨桿計算長度；frbk為巖土體與錨固體極限黏結強度標準值；D為錨桿直徑；n為錨桿鋼筋根數；fb為鋼筋與錨固砂漿間的黏結強度設計值；d為錨桿鋼筋直徑；b為錨桿布置間距；r為土體容重（地下水位以下取浮重度）。

當進行地下室抗浮錨桿設計及施工時應注意以下要求：錨桿全面施工前應作基本試驗以確定錨桿長度，試驗最大加載量應滿足規范要求（基本試驗施工單位應根據承載力要求增大錨桿鋼筋直徑），且不得小于單根錨桿抗拔力設計值Nt的2倍。試驗應根據不同的土層情況、錨桿長度及抗拔承載力特征值要求確定試驗組數。每一種情況錨桿數不得少于3根；當試驗完成后應形成試驗報告以供設計人員確定本場地的錨桿長度。驗收試驗錨桿數量不得小于總錨桿數量的 5%，且不應小于 6根，試驗最大加載量不應小于單根錨桿軸向拉力Nt的1.5倍。成孔應采用機械成孔，應根據土層條件采用泥漿護壁或鋼套筒護壁等措施，以避免孔壁坍塌，錨桿的孔位和孔徑誤差應不大于20 mm，鉆孔的軸線偏斜率不應大于桿體長度的2 %。

工程停止降水的時間應同時滿足以下條件：

（a）完成地下室頂板及擋土墻周邊地面回填，回填土容重16 kN/m2～18.0 kN/m2。

（b）塔樓結構施工完畢后。

（c）各樓層面層施工完畢后。

當在地下室布置抗浮錨桿時，應盡量均勻布置，抗水板及柱下基礎均應布置。如果采用柱下基礎不布置錨桿，集中布置在抗水板區域內，由于錨桿對土體的擠密效應，會造成抗水板下面的反力增加，柱下基礎反力減小，反而使柱下基礎抗沖切不安全。

3 抗水板所承受的水浮力設計值

q=1.35×F-Gq-（F-G）

式中：q為扣除抗水板自重及錨桿拉力后抗水板所承擔的水浮力；F為水浮力標準值；Gq為抗水板自重；F-G錨桿承受的拉力標準值。

Mox =0.125qly（lx-2c/3）2

式中：Mox為抗水板所承受的最大彎矩；ly 、lx為抗水板2個方向的跨度；c為柱帽尺寸（柱截面寬度+2倍抗水板厚度）。

彎矩分配（查表計算）：

當采用近似計算時，抗水板鋼筋計算值As=M/0.9fyho，式中ho為抗水板的厚度。

4 基礎抗浮設計方法

在多層地下室結構中，由于水浮力過大，抗浮錨桿已不能滿足需求，這時應采用抗拔樁，抗拔樁的設計原則詳見地基與基礎設計規范。

5 結語

確定地下水位依靠的是水位觀測網，多年的觀測數據也能提供很好的幫助，這一數據對工程造價的影響非常大，而且它具有很強的政策性，這一公共資源需要政府去主導并建立相關法規。

地下水荷載分項系數采用1.0比較合適。永久荷載分項系數一般來說都是0.9～1.0。抗浮穩定驗算安全系數一般取1.05～1.1。

每一個抗浮方法都有獨立的適用性，對應的就會有各種優缺點，在選擇的時候，要根據地質條件、水浮力大小、后期運行條件等特點進行合理科學且經濟的選擇。

參考文獻

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