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岩土研究院

关于地下室抗浮设计的一些优化思路

380 2020-12-03 10:53:34

对于地下室抗浮设计我一直在思考一个问题,我们采用抗浮锚杆进行结构整体抗浮时,一般的设计思路是:抗浮锚杆设计受力等于水浮力减去结构自重,剩下的相当于结构自重的水浮力进行地下室地板的局部抗浮,计算时假定竖向构件处为不动支点,水浮力作用于整跨底板,最后得出底板的配筋结果。

个人认为此计算假定成立需满足下列条件之一,1.抗浮锚杆集中布置于竖向构件底部,2.如果抗浮锚杆采用满堂布置,底板抗弯刚度须足够大,以至于可以忽略锚杆的刚度。

上述两个条件在实际工程中,第1条一般情况下都不能满足,因为单根锚杆承载力有限,锚杆布置往往做不到柱下集中布置;第2条是否能满足则需根据工程具体情况进行分析确定,一般情况下地下室底板厚度为250~500mm不等,对于常规8.1mx8.1m的地下室柱网,结合不同基础形式和基础大小,底板面外抗弯刚度也有很大的取值区间。基于此,本文选取典型布置进行分析对比以期为优化抗浮锚杆设计计算抛砖引玉。

首先我们来看抗浮锚杆的布置,抗浮锚杆一般采用满堂均布的方式,如果有桩基础则避开桩位,如下图所示:

图1 典型抗浮锚杆平面布置

按满堂均布的方式进行整体抗浮设计时还有两个问题:1.假设结构在水浮力作用下整体向上发生位移,由于底板抗弯刚度有限,位于跨中的抗浮锚杆受力会超载,位于柱位的锚杆则存在受力达不到设计承载力的情况,这就是所谓的受力不均,可以用“剪力滞后现象”来解释(但和高层框筒结构的传力方向相反);2.当进行底板局部抗浮设计时,一般做法是不考虑锚杆的作用,假定锚杆在用于整体抗浮达到了设计承载力,局部抗浮时既不提供刚度也不提供承载力,底板整跨承担相当于结构自重的水浮力,然而实际上,由于整体抗浮时锚杆受力不均,中间锚杆并未达到设计承载力,另外根据锚杆设计计算方法,在设计承载力作用下锚杆远未达到弹性极限承载力,因此局部抗浮设计时,底板实际受力应是以竖向构件为不动支点,板底作用有均匀的水浮力荷载,同时跨中锚杆提供下拉刚度锚杆内产生附加荷载。因此在实际情况下,锚杆受力可能超过设计承载力,底板实际受力和配筋可能和设计假定想去甚远。下面通过计算验证:

1、对比计算一

计算条件: 8.1mx8.1m典型一层地下室平面标准跨,采用独立基础尺寸为1.8mx1.8m3.6mx3.6m两种,锚杆布置间距2.7mx2.7m均匀布置,底板厚度取400mm300mm两种厚度,基础高度为1000mm,覆土荷载27kN/m²,结构自重通过程序自动计算,水浮力取为80kN/m²,其中结构整体抗浮设计时锚杆需要承担的水浮力为32.3kN/m²(300厚板)、29.8kN/m²(400厚板)。分析模型如图2所示。

计算软件:SAP2000V19.2.1 底板采用厚壳模拟,锚杆采用节点弹簧模拟,刚度K=30kN/mm(根据实际抗拔试验取值,如图3所示)。

图2


图3

表1

基础尺寸

底板厚

柱位锚

杆内力

跨中锚杆内力

均摊锚杆内力

柱位锚杆

内力差异

跨中锚杆

内力差异

1.8mx1.8m

400mm

150 kN

239 kN

217 kN

-31%

+10%

300mm

144 kN

269 kN

235 kN

-39%

+14%

3.6mx3.6m

400mm

202 kN

230 kN

211 kN

-4%

+9%

300mm

210 kN

258 kN

216 kN

-3%

+19%

从表1可以看出结构整体抗浮计算时,柱位处和跨中锚杆受力与均摊受力的不同,反应了底板刚度对锚杆受力的影响,本文的计算结果,柱位处锚杆内力最大可减小39%,跨中锚杆内力最大超载19%,实际上锚杆受力差异的大小与板的厚度、基础的大小以及锚杆本身相互关联,当实际工程中计算条件与本文不符时则应根据具体情况建模分析。

2、对比计算二

局部抗浮计算,仅计算底板的受力和配筋,一般假定柱底为不动支座,锚杆不参与受力、不提供刚度。而实际情况是,在整体抗浮时锚杆已受力并产生变形,板局部抗浮计算是在整体抗浮受力的基础上产生了二次受力和变形,锚杆将继续参与受力并提供一定的刚度,本文选取两种基础规格和两种底板厚度作了对比分析,计算条件和软件同对比计算一,在建模时,对于无锚杆模型基础节点施加固定支座,计算结果如表2所示:

表2

基础尺寸

有无

锚杆

底板厚

支座最

大弯矩

跨中最

大弯矩

支座

内力差异

跨中

内力差异

1.8mx1.8m

400mm

189kNm/m

65kNm/m

-6%

+3%

400mm

201kNm/m

63kNm/m

300mm

175kNm/m

60kNm/m

-10%

-3%

300mm

194kNm/m

62kNm/m

3.6mx3.6m

400mm

71kNm/m

50kNm/m

-13%

+52%

400mm

82kNm/m

33kNm/m

300mm

70kNm/m

44kNm/m

-13%

+38%

300mm

80kNm/m

32kNm/m

从表2可以看出在结构局部抗浮计算时,如果考虑锚杆的作用和柱位处竖向变形,底板配筋计算结果与按固定支座计算相差较大,一般支座位置按固定支座计算内力偏大,最大相差13%;跨中计算内力偏小,最大相差52%。本文分析结果仅作参考,当实际工程中计算条件与本文不符时则应根据具体情况建模分析。

综上所述,在实际工程中,底板抗浮设计应采用恰当的计算假定,否则将产生错误的计算结果。