地下室底板抗浮锚杆的合理设计

地下室底板抗浮锚杆的合理设计

陈立奇

中南建筑设计院股份有限公司  湖北省武汉市  430042

摘要：针对不同规范、规程、技术措施对抗浮锚杆抗拔力计算公式进行总结，同时探讨水浮力设计值的分项系数的取值，并对采用不同布置方式下的抗浮锚杆反力及基础底板受力进行分析，对锚杆的合理设计提供有益的建议。

关键词：抗浮设计；水浮力取值；锚杆合理布置；

引言

随着现代社会建设的不断发展，地下空间的利用规模也越来越大，由于地下室埋深较深，而地下水头往往又比较高，如何有效合理的进行抗浮设计就成为地下结构设计的关键问题。近年来因抗浮措施不当，导致工程事故屡有发生。因抗浮锚杆相比灌注桩和预制桩，具有施工便捷、经济环保等特点得到广泛应用，如何准确计算锚杆的抗拔承载力及合理布置就成为了工程应用的技术关键。

1、锚杆抗拔承载力的计算

关于单根锚杆抗拔承载力的计算，相关的现行标准、规范及技术措施涉及的较多。抗浮锚杆设计主要包括锚杆承载力计算、杆体截面面积的计算和锚杆数量的计算。表1中列出了不同规范、规程对全长粘结型永久性非预应力锚杆的计算公式。

表1 锚杆承载力计算公式总结

从表1中可见，对于杆体钢筋面积计算，《边坡规范》所采用的公式系数与《锚杆规程》基本相同，《地基规范》的公式系数最小，《技术措施》的系数介于《地基规范》与《锚杆规程》之间。锚杆的设计长度一般是由杆体与土层或岩体的粘结长度控制，杆体与水泥砂浆的粘结计算不起控制作用。《锚杆规程》与《技术措施》所计算的锚杆长度小于另外两种规范。

2、水浮力分项系数取值

根据《建筑结构荷载规范》（GB5009）附录，对于水位不变的水压力可按永久荷载考虑，而水位变化的水压力应按可变荷载考虑，但规范没有明确规定水浮力的分项系数。由于进行抗浮设计时，水浮力对结构产生不利影响，通常情况下抗浮设计水位一般取为综合考虑各方面因素所能达到的最高水位。

因此，可按照《建筑结构可靠性设计统一标准》里基本组合中对荷载分项系数的规定，永久荷载效应对结构不利时取1.3，当抗浮水位低于室外地坪标高，水压力有可能增加的时候，应视为可变荷载，此时分项系数宜取为1.5.此时应注意：设计水头高度乘以乘以分项系数后的水头高度不得超过室外地坪标高，否则其分项系数可取为基础底面到室外地坪的水头高度除以抗浮设计水头高度。

3、锚杆在基础底板中的布置方式

对于底板水浮力大于底板及建筑面层重量的情况，底板需要承受水浮力的不利作用，并将扣除底板及其上建筑面层重量后的水浮力传给独立基础，这样会使得独立基础的底面弯矩数值增大。目前，抗浮锚杆的布置方式主要有以下三种方式：

1）集中点状布置于基础下（图1a）.通过扣除上部结构自重后得到的锚杆数量，将这些锚杆集中布置在柱下基础范围内。

2）均匀线状布置（图1b）.通过考虑上部结构自重通过计算后得到锚杆总数，将这些锚杆均匀布置在上部柱集中力平衡水浮力影响范围以外的区域。

3）均匀面状布置（图1b）均匀布置于地下室底板中间区域.将单位柱跨范围内的水浮力设计值扣除上部结构荷载传至墙柱底部的竖向力，然后除以单根锚杆抗拔承载力，得到锚杆数，再均匀布置在柱下基础影响区域以外的底板下（图1d）。

（a）集中点状布置                    （b）均匀线状布置              （c）均匀面状布置

图1 抗浮锚点布置方式

4、有限元模拟分析比较

以某工程地下室车库为例，分析比较不同锚杆布置方式下锚杆反力和底板受力情况。地下室底板相对标高为-7.0m，底板厚度为400mm，底板下水浮力荷载为70KPa.典型柱网跨度为8.4mx8.4m.标准组合下中柱柱底竖向轴力为2360KN.选用的抗浮锚杆单根抗拔承载力特征值为400KN.

本文采用基础设计软件YJK-F进行有限元分析，得到三种布置方式下抗浮锚杆反力，底板弯矩以及独基基底配筋结果

可知，在三种锚杆布置方式中：（1）集中点状布置下，独基四周角点处锚杆反力较大，约为350KN，处于中部的锚杆反力较小为250KN；（2）锚杆均匀线状布置下，锚杆受力在260~280KN之间；（3）均匀面状布置下，处于跨中板带区域的锚杆反力较大，约为290KN,处于柱上板带区域的锚杆反力较小，约为200KN.

三种锚杆布置方式中，均匀线状布置，锚杆受力较为均匀，集中点状布置下锚杆反力差异最大。

由于典型柱网x和y方向柱网尺寸一致，选取在三种不同锚杆布置形式下，在1.0恒-1.2水浮力组合工况作用下底板x向弯矩图，见下图3所示。

（a）锚杆集中点状布置                   （b）锚杆均匀线状布置         

（c）锚杆均匀面状布置

图3 不同锚杆布置方式下底板x向弯矩

  由图可知，在三种不同锚杆布置方式中：（1）集中点状布置下，跨中板带x向最大弯矩为-125

，柱上板带x向最大为-161，独基底部x向最大为717.（2）均匀线状布置下，跨中板带x向最大弯矩为-5，柱上板带x向最大为-9，独基底部x向最大为-343.（3）均匀面状布置下，跨中板带x向最大弯矩为-54，柱上板带x向最大为-77，独基底部x向最大为393.

可知三种不同的锚杆布置方式中，集中点状布置下，底板弯矩最大，独立基础承受水浮力传递的弯矩最大，所需要的钢筋量最多；均匀线状布置下，底板弯矩较小，独基承受的水浮力较小，所需要的钢筋量较小；均匀面状布置下，板带弯矩较小，独基承受水浮力传递的弯矩较小，所需要的钢筋量最小。

由以上分析可知，锚杆集中点状布置，可以近似将底板按照墙柱为不动支座的倒楼盖来计算内力和配筋，同时将倒楼盖分析模型得到的独基边弯矩与竖向荷载作用下独基净反力相叠加得到独立基础的综合内力和配筋。但这种布置方式，需要根据水浮力大小以及跨度大小，确定底板所需要的厚度，配筋也比较大。锚杆均匀线状布置，充分利用上部竖向构件集中力来平衡此集中力影响范围内的水浮力，而此影响区域以为的水浮力由抗浮锚杆来承担，因而抗浮锚杆数量更少，抗浮锚受到的抗拔力更为均匀，所需要的底板厚度更小，也更为经济合理。锚杆均匀面状布置下，可以得出的规律是锚杆距离柱越远承担的拉力越大，是因为该处承受上部荷载影响较小而导致水浮力作用下底板向上变形较大，从而使锚杆拉力较大。

5、结论

本文通过比较分析了工程抗浮锚杆设计中的关键两个问题：抗浮锚杆抗拔承载力的确定和水浮力分项系数的取值。锚杆的抗拔承载力可以参照几种规范的规定，并结合工程经验合理确定抗拔锚杆的设计参数。当抗浮水位取值低于室外地坪标高时，可以按照乘以分项系数后的水头高度不高于室外地坪标高来确定。通过分析三种不同锚杆布置方式，得出优先考虑将锚杆布置在底板中间区域能最有效减小水浮力对基础的弯矩，并降低底板弯矩值和配筋量。通过合理的锚杆布置可以达到均衡抗浮同时节约成本的目的。

参考文献

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[2]GB50007-2011建筑地基基础设计规范[S]中国建筑工业出版社.

[3]GB50330-2013建筑边坡基础规范[S]中国建筑工业出版社.

[4]CECS22：2005.岩石锚杆（索）技术规程[S]