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地下室抗浮破坏原因分析

342 2020-08-14 14:24:37


地下室抗浮破坏现象及原因分析

陆观宏 (博士,教授)


前一段时间,南昌某地下室因抗浮失效破坏,再次引发业内对地下室抗浮破坏的关注,土木吧、校友群都讨论热烈,为什么破坏会发生在柱子且主要发生在柱顶呢?一些专家从“空腹桁架”模型、“拉剪破坏”模型及“反弯点”模型进行分析,但几种分析模型似乎都存在一些局限性,有些问题仍难以解释。本文试图从“多层梁”模型分析破坏现象,供同行参考,如有不当,欢迎讨论指正。

1. 地下室抗浮破坏现象

地下室抗浮破坏现象主要有:

(1)柱子破坏比较严重,通常发生在柱的两端,且主要发生在柱顶,当具有两层以上地下室,主要发生在最底层;

(2)底板破坏,主要为冲切破坏(例如网上有的小视频反映水从柱脚的四周喷出,就是底板已冲切破坏),有的弯曲变形过大而破坏。

(3)楼板开裂,容易发生于周边第一跨或第一排柱顶附近。

2. 几种破坏模型存在的问题

专家们从“空腹桁架”模型、“拉剪破坏”模型及“反弯点”模型分析地下室抗浮破坏现象,具体如下:

“空腹桁架”模型,假设地下室(这里特指需抗浮设计的地下室)为两端固接在高层建筑地下室的空腹桁架,底板、顶板为弦杆,柱子为腹杆,柱子因空腹桁架整体变形而产生剪力和弯矩,层高范围内剪力相同,轴力近似相等,弯矩最大值在柱的两端。“空腹桁架”模型可解释悬臂式地下室破坏现象,但对两端固定的地下室,因空腹桁架两端是没有位移的,在横向荷载(水浮力)作用下,下弦杆不会产生压缩变形,即不会出现压力,不会形成上拉下压的整体受力效果,与两端或一端可以位移的常规空腹桁架不同。

“拉剪破坏”模型在“空腹桁架”模型基础上,通过分析上弦杆受拉,从而得到柱子容易在柱顶处拉剪破坏的结论。节点会受到拉力影响,但实际工程中,梁柱节点很少破坏,破坏主要发生在柱内(如图1、图2所示)。


 
图1

2


“反弯点”模型在“空腹桁架”模型基础上,从上、下弦杆刚度岀发,认为上弦杆刚度比底板刚度大,反弯点在柱中下部,故柱上端比柱下端弯矩大,破坏容易岀现在柱顶。这可能有一定道理,可以用来解释顶板有较厚回填土的单层地下室破坏现象。当地下室为两层及以上,对底层而言,常规设计,底板刚度将大于其顶板。

3. 结构破坏原因分析

3.1结构受力特点及破坏原因

抗浮破坏的地下室,多数为上部荷载不大的结构,柱子的截面尺寸一般不大,且通常不是短柱。

以两层地下室为例,地下室两端为刚度较大的主楼。正如上面所述,这“空腹桁架”两端是没有位移的,在水浮力作用下,下弦杆不会产生压缩变形,不会出现压力,不会形成上拉下压的整体受力效果。事实上,下弦杆、中弦杆、上弦杆相当于三根两端固接的“梁”,“梁”与“梁”之间通过柱子连接,共同承受水浮力,这就是所谓的“多层梁”模型。当水浮力很小时,三根“梁”以受弯为主,通过柱子传递荷载,使三根“梁”共同承受水浮力;当水浮力进一步加大,三根“梁”弯曲加大,下弦杆在水压力作用下,变形曲线近似抛物线,中弦杆及上弦杆由柱传递集中荷载,其变形曲线近似为分段折线,如图3所示。以底层AB柱为例,柱受力及变形如图4所示:


 3

图 4

由图3、图4可见,三根“梁”内不但有弯矩,还出现较大拉力,实际均为拉弯构件。水压力总是垂直构件表面,水压力合力与柱轴线不重合;下弦杆在水压力作用下,变形相对平缓,转角相对小一些;中弦杆受柱集中荷载作用,变形出现“尖角”,尤其是第一跨(即BC杆、GH杆),转角相对较大,总的情况是,柱顶处两边横梁的转角之和比柱底处略大(例如,图4中,柱顶处两边横梁的转角之和比柱底处大0.019度;随着变形加大,如图6,柱顶处两边横梁的转角之和比柱底处大0.112度。当然实际变形没有图示这么大,但这些数据的变化趋势能说明问题)。通过上述分析可见,柱高范围内剪力相同,轴力近似相等,柱两端弯矩大,其中柱顶处的弯矩比柱底处大些。因此,柱子在轴力、弯矩及剪力作用下,其两端容易破坏,且相对更容易发生在柱顶。当柱顶破坏后,由于应力释放,内力重分布,柱脚破坏就相对轻一些。当具有两层及以上地下室,由于轴力被下弦杆、中弦杆分担,传到上部的轴力将逐渐减小,故破坏主要发生在最底层。

当水浮力进一步加大,三根“梁”弯曲进一步加大,如图5所示,柱受力及变形如图6所示。

图5


图6

由图3、图5可见,柱所处的位置不同,其两端的转角变形情况不同,柱的内力不同。理论上,在均布水压力作用下,“梁”跨中处的柱子转角最小,向两端逐渐增大,四周第一排柱的柱端转角最大,其弯矩、剪力最大,从图1的柱子破坏情况可以反映这方面的规律性。

随着变形加大,“梁”的拉力增大,柱的两端转动加大,水压力合力与柱轴线的夹角增大,进一步加大柱两端的弯矩。由图3、图5可见,第一跨的梁端弯矩很大(转角及相对竖向位移很大),容易开裂破坏。当第二跨梁板刚度小于第一跨梁板刚度,根据节点位移协调及力学平衡原理,第一排柱柱顶转角会增大,第二跨梁端弯矩也会加大。如南昌商昌天空之城地库,根据官方公布的专家组意见,顶板采用两种现浇结构,主楼及外扩一跨为梁板结构,第二跨及以外为无梁楼盖(带柱帽)结构,顶板、柱帽开裂位置沿无梁楼盖邻近梁板结构的过渡区域的内侧发生。“专家意见”没有描述清楚“过渡区域”是怎么设置的,“过渡区域的内侧”也不知道在什么地方,但楼板开裂肯定是发生于纯地下室四周第一排柱顶节点附近。根据江西建材产品质量监督检测站的检测意见:“4-17/D-N范围内地库顶板主要在四周区域(4轴、17轴,D轴、N轴附近)观测到不同程度裂缝”。说明楼板开裂破坏现象与上述分析吻合。

3.2 水浮力不均匀分布及结构破坏多样性

自由水才传递压力,强结合水是不传递压力的,弱结合水则介于两者之间。由于地层不均匀,多数情况下,地下室底板下的土层并不是同一层稳定土体,水浮力不是均布的,这在顾宝和大师的文章“多层地下水的水压力”里也得到论证。

底板变形与结构刚度及结构布置、上部荷载大小及分布、水浮力大小及分布有关。底板变形分整体变形及局部变形,整体变形又分为均匀变形与非均匀变形。因此,地下室破坏有时呈现复杂的多样性。

3.3 当上部结构自重大于水浮力,为什么柱子就不容易破坏呢?

当上部结构自重大于水浮力,底板就只发生局部变形,当柱网比较均匀,水压力变化不太大时,不平衡弯矩引起柱端弯矩及剪力较小,故柱子不容易破坏。

4. 关于柱子混凝土质量问题的思考

有的网友认为,柱子破坏常常发生于柱顶,与柱顶混凝土质量比柱脚差有关。柱顶混凝土质量比柱脚差的观点,不一定有实测数据支持,可能是认为柱底的粗骨料更富集而推测。事实上,柱子混凝土强度等级一般较高,相对较粘稠,现场振捣时间一般不长,正常操作不应该造成混凝土明显离淅,混凝土在柱内下落过程中受到箍筋的阻拦,柱底也不一定石子明显聚集。相反,由于柱脚模板漏浆及振捣不到位,柱脚混凝土质量可能更差,“烂根”指的就是柱脚混凝土,总体上,柱脚混凝土质量可能更不可控。

5. 有待解决的一些关键问题

建筑物抗浮设计还有一些关键问题没弄清楚。例如:

(1)抗浮水位在哪?有的规范要求按历史最高水位,但绝大多数场地是不知道“历史”的,相差1m理论上相差10kPa,顾宝和大师也说“更为复杂的是如何确定抗浮设防水位”。

(2)水浮力要不要折减?这也是争论不休的,理论上只有自由水才传递压力,强结合水是不传递的,弱结合水介于之间。

(3)地下室底板受到的水浮力不是均匀分布的,即使勘察时能得到准确的压力水头实测值,也不是设防计算的压力值;地层是不均匀的,地下室底板下的土层常常不是同一层稳定土体,基坑开挖后,有时甚至挖通了潜水层与承压水层,增加了水浮力确定的难度。

6. 小结及建议

本文从结构变形规律出发,认为地下室在水浮力作用下,底板、中板及顶板为固接于塔楼地下室的“梁”,“梁”与“梁”之间通过柱子连接并传递荷载,地下室结构按“多层梁”模型分析,解释了以下几个问题:(1)地下室抗浮破坏主要发生于最底层;(2)柱子破坏通常发生于两端,且主要发生在柱顶;(3)顶板(楼板)开裂主要发生于与塔楼地下室相连接的第一跨或第一排柱顶附近。

结构设计时,除按规范进行抗浮设计外,建议:(1)适当加强四周第一排柱及第一、二跨梁板承载能力;(2)加强柱端箍筋加密区的体积配箍率,按抗震要求设置弯钩;(3)加强梁板的通长筋配置。