摘 要：隨著高層建筑的快速發(fā)展，為充分利用地下空間，通常會設置多層地下室，造成基礎底板埋深較大，在地下水埋深較淺的地方，地下室底板結構需要承受較大的水浮力作用。本文結合一個實際工程，介紹如何利用PKPM軟件較準確、直觀地計算地下室底板結構，以及當水浮力大于自重時的錨桿抗浮設計。本文結果可為此類結構的設計提供參考。

關鍵詞：高層建筑；底板；抗??；設計

中圖分類號：TU470.3

文獻標識碼：B

文章編號：1008-0422（2012）08-0123-02

1 引言

隨著城市的高速發(fā)展，高層建筑或超高層建筑將越來越多，這些建筑有一定的埋深。另地下人防的需要和地下車庫的需求日益增大，通常會設置多層地下室以充分利用地下空間，但這會造成基礎底板埋深較大；在地下水埋深較淺的地方，地下室底板結構需要承受較大的水浮力作用，這對結構將產生不利影響。因此，在結構設計時應考慮浮力對結構的作用。本文結合一個實際工程，介紹如何利用PKPM建模較準確、直觀地計算地下室底板結構，以及當水浮力大于自重時的錨桿抗浮設計。

2 工程概況

本工程位于某市區(qū)中心，地上三棟高層住宅，地下一層，上部采用框架剪力墻結構，純地下室部分采用框架結構。本工程地下室底板結構平面圖如圖1所示，主體部分基礎采用人工挖孔樁，純地下室部分采用獨立基礎加抗水板。地下室底板面標高為-5.100m，抗浮設計水位取至室外地坪標高，即-0.150m；地下室頂板板厚200mm，純地下室部分上部覆土600mm厚，地下室底板板厚300mm。

3 地下室底板結構設計

當?shù)叵率宜惠^高時，地下室需進行整體抗浮驗算和地下室底板結構抗浮設計。應用PKPM進行底板結構設計需要按以下幾個步驟。

3.1 荷載計算和輸入

作用在底板上的荷載包含正向荷載和反向荷載兩部分；正向荷載包括底板的梁板自重、底板上隔墻及面層等恒載及各種活荷載；反向荷載為水浮力。在進行底板結構設計時，應根據實際工程情況考慮各種荷載最不利組合。因本工程底板以下土層條件較好，為粉質粘土，其地基承載力特征值fak=210 kPa，可認為正向荷載均由底板通過土體承擔，而只考慮反向荷載控制的組合。水浮力標準值Ffk和底板自重標準值Gk可按如下計算：

Ffk=（5.1+0.3-0.15）×10=52.5 kN/m2

Gk=25×0.3=7.5 kN/m2

由于PM在計算板配筋時，內定恒載分項系數(shù)為1.2，活荷載分項系數(shù)為1.4，而根據《建筑結構荷載規(guī)范》，永久荷載為有利荷載時，永久荷載分項系數(shù)取1.0；根據《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》，當可變荷載效應對結構構件的承載能力有利時，可變荷載分項系數(shù)應取為0；所以本工程在PKPM中輸入恒載時應為7.5/1.2=6.25kN/m2（注意在荷載定義時，不考慮自動計算現(xiàn)澆樓板自重），活荷載輸入52.5kN/m2。由于恒載方向向下，水浮力方向向下，所以底板計算時在PM中輸入的恒載值和活載值分別為-6.25kN/m2和52.5kN/m2，按倒置的樓蓋進行計算（因PKPM尚不能計算組合后為負值的情況）。

3.2 承臺的模擬輸入

利用程序PM計算地下室底板時，不宜在原有模型的基礎上運算，而應單獨建模；柱尺寸按相同承臺的尺寸輸入，在總信息中選擇不計算地震力和風荷載，并選擇“梁柱重疊部分簡化為剛域”，否則與實際情況不符，會產生很大的誤差，同時會造成不必要的浪費。根據《地下工程防水技術規(guī)范》的規(guī)定，迎水面鋼筋保護層厚度不得小于50mm。因此，在計算參數(shù)設置時，應將梁的保護層厚度設為50mm。

采用上述模型計算后基本能滿足工程實際要求，但其對裂縫和撓度的控制偏嚴。因輸入的恒載和活載值分別為-6.25 kN/m2和52.5 kN/m2，標準組合值為-6.25+52.5=46.25 kN/ m2，略大于實際標準組合值-7.5+52.5=45 kN/ m2。進行底板結構施工圖設計時，可根據上述計算結果進行配筋，按倒置樓板處理：一般底板上部鋼筋按配筋結果選取，雙向拉通；底板下部按滿足跨中配筋布雙向貫通鋼筋，在支座板底附加鋼筋，與貫通筋隔一布一。

3.3地下室底板基礎梁的計算與分析

基礎梁可接力底板的計算模型，荷載輸入也同底板計算的荷載，這時也會有對裂縫控制偏嚴的問題（因基礎梁配筋一般由裂縫控制，如標準值與實際相差過多，會造成沒必要的浪費）。基礎梁計算時可以采用下面的方法處理：計算時在PM中輸入恒載為-7.5 kN/m2（不考慮除以1.2），活載仍輸入52.5 kN/m2，然后在SATWE的荷載組合參數(shù)中，把恒載的分項系數(shù)改為1.0，活荷載分項系數(shù)為1.4；這樣算出的配筋更符合實際情況。

4 整體抗浮驗算

一般主體部分的上部結構自重遠比水浮力大，不需進行使用階段整體抗浮驗算；但需施工階段的整體抗浮的驗算，即計算施工到上部哪一層時，結構整體自重才大于水浮力；需在說明中注明地下室的降水措施需施工到該層時才能停止降水，以免造成整體地下室上浮或局部隆起，給地下室結構帶來嚴重破壞，難以進行復原處理。

本工程純地下室部分，由于地下水位較高，地下室埋深較大，一般情況下，結構自重無法抵抗地下水浮力，需進行整體抗浮驗算。當抗水板不滿足整體抗浮要求時，常規(guī)做法有壓重和抗拔兩種。壓重是在抗水板板面或地下室頂板覆土壓重以抵抗水浮力；抗拔就是在基礎設計抗拔樁或者錨桿來抵抗水浮力。

本工程整體抗浮驗算如下：

水浮力標準值：Ffk=（5.1+0.3-0.15）×10=52.5 kN/m2

抗浮力Fr（即地下室自重）：覆土600厚18×0.6=10.8 kN/m2

頂板200厚 25×0.2=5 kN/m2

底板300厚 25×0.3=7.5 kN/m2

梁柱折算荷載4 kN/m2

Fr=10.8+5+7.5+4=27.3 kN/m2

Ffk> Fr，所以本工程應進行整體抗浮設計。

本工程純地下室部分基礎為柱下獨基加抗水板，在前面底板結構設計時己按最大水位，采用倒置樓蓋計算，保證水浮力傳至基礎梁上，再傳至獨立柱基上，因此采用在柱下獨基下部設計錨桿來抵抗水浮力。根據柱距計算相應基礎所受的水浮力大小，以最大柱跨下基礎為例，最大柱跨位于軸線 B ～ C之間（如圖1所示），為8.4 m，基礎下水浮力標準值為（52.5-27.3）×8.42=1778 kN。

由于抗浮水位平室外地坪時，水壓力是不可能再增加了，可視為不變的水壓力。另在驗算抗浮時，水浮力為主要可變荷載的組合來控制，分項系數(shù)宜取1.20；錨桿抗浮設計時，錨桿鋼筋截面面積計算現(xiàn)行的規(guī)范中無明確的計算規(guī)定，本文認為采用《鋼筋混凝土結構設計規(guī)范》正截面受拉承載力計算公式較為合理，設每個基礎下布9根錨桿，采用 32，其抗拉強度設計值fy=360N/mm2，但受拉構件的鋼筋抗拉強度設計值大于300N/mm2時，取300N/mm2。

基礎所受水浮力設計值N：N=1.2×1778=2134 kN；

所需錨桿的總截面面積As：As≥N/ fy=2134×103/300=7113 mm2

每個基礎下布9根錨桿布置，單根錨桿面積為7113/9=790mm2，可選用選 32（As=804

mm2）。

錨桿孔直徑取130 mm，根據地質報告，要求錨桿穿過5m深粉質粘土和5m深強風化泥質粉砂巖，其側阻力特征值分別為38和65，錨孔周長U=3.14×0.13=0.41 m。則錨桿抗拔承載力特征值Rt=38×5×0.41+65×5×0.41=211 kN>1778/9=197 kN(每根錨桿所受拉力標準值)。

因此，在柱下獨基下布置9根 32，能夠滿足要求，設計詳圖如圖2所示。

5 結語

在進行地下室抗浮設計時，如何正確分析受力及荷載取值，以及如何利用計算程序輔助，建立一個比較符合實際受力情況的模型，是結構設計的基礎。以上是筆者結合一實際工程，對地下室如何應用PKPM進行底板結構設計以及整體抗浮驗算的一些體會，以供參考，期望能對結構設計人員有所幫助。

參考文獻:

[1] 中華人民共和國國家標準 GB50009-2001. 建筑結構荷載規(guī)范 [S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[2] 中華人民共和國國家標準 GB 50108-2008. 地下工程防水技術規(guī)范 [S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[3] 中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部.PKPM 用戶手冊 (2008版).

[4] 中華人民共和國國家標準 GB50010-2010. 混凝土結構設計規(guī)范 [S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[5] 中華人民共和國國家標準 GB50007-2011.建筑地基基礎設計規(guī)范 [S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社， 2012.

[6] 中華人民共和國國家標準 GB50068-2001. 建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準 [S].北京:中國建筑工業(yè)出版社， 2011.