孫偉武黃林偉

（1.諸暨市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，諸暨311800；2.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州310012）

抗浮錨桿布置方式的數(shù)值分析

孫偉武1黃林偉2，*

（1.諸暨市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，諸暨311800；2.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州310012）

總結(jié)了現(xiàn)有抗浮錨桿的布置形式及其優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)板底結(jié)構(gòu)的傳力模式和彈塑性變形理論，提出了面狀非均布方案，即沿底板塑性鉸線周邊和地梁跨中布設(shè)錨桿。結(jié)合工程實(shí)例，采用三維數(shù)值模擬分別對(duì)預(yù)應(yīng)力面狀非均布、預(yù)應(yīng)力面狀均布、非預(yù)應(yīng)力面狀非均布和非預(yù)應(yīng)力面狀均布，四種錨桿布置方式下的底板板頂位移、地梁和底板應(yīng)力、錨桿軸力進(jìn)行了對(duì)比分析。通過分析認(rèn)為，當(dāng)錨桿為預(yù)應(yīng)力面狀非均布時(shí)，底板、地梁變形小且規(guī)則，地梁內(nèi)力小，各錨桿軸力分布均勻，有利于抗浮錨桿地統(tǒng)一配置，從而使地下室抗浮更安全、更經(jīng)濟(jì)。

抗浮錨桿，三維數(shù)值模擬，預(yù)應(yīng)力，面狀非均布，面狀均布

1 引 言

隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷加大，為充分利用地下空間，許多工程建設(shè)項(xiàng)目設(shè)置了獨(dú)立地下室，從而使地下車庫的抗浮問題日趨突出，抗浮水位的取值和抗浮措施的選擇，直接影響工程建設(shè)項(xiàng)目的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

目前在獨(dú)立地下室中一般的抗浮措施［1］有壓（配）重抗浮、抗拔樁抗浮、錨桿抗浮和降水抗浮。其中，錨桿抗浮為巖石地基地下室中最有效和常用的抗浮手段。本文將結(jié)合某地下車庫的抗浮加固，并采用數(shù)值模擬，討論巖石抗浮錨桿在不同布置方式下對(duì)地下室底板結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響。

2 錨桿布置方式

目前，巖石錨桿抗浮設(shè)計(jì)時(shí)一般布置方式有以下兩種［2，3］：

集中點(diǎn)布：錨桿集中布置于獨(dú)立基礎(chǔ)下，抗浮錨桿下拉力、頂板覆土自重、上部結(jié)構(gòu)（梁、板、柱）恒載和板底結(jié)構(gòu)恒載共同抵抗水浮力。

面狀均布：錨桿均勻布置于地下室底板下，頂板覆土自重和上部結(jié)構(gòu)恒載通過柱下獨(dú)立基礎(chǔ)傳至地基，并抵消以獨(dú)立基礎(chǔ)為中心一定范圍內(nèi)的水浮力；而對(duì)防水底板板塊區(qū)域，覆土自重和上部結(jié)構(gòu)恒載對(duì)其影響甚微，布設(shè)錨桿時(shí)不考慮覆土自重和上部結(jié)構(gòu)恒載的有利作用，板塊區(qū)域水浮力由板塊自重和錨桿下拉力共同抵抗。

與集中點(diǎn)布相比，雖然面狀均布不能充分利用覆土自重和上部結(jié)構(gòu)恒載，需更多錨桿平衡水浮力，但是面狀均布有效地減小了底板計(jì)算跨度，大大降低了防水板的彎矩、剪力和配筋，相比而言更具安全性和經(jīng)濟(jì)性。

總結(jié)了集中點(diǎn)布和面狀均布下荷載傳力途徑及其優(yōu)缺點(diǎn)，筆者認(rèn)為可將上述兩種布置方式的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行整合，提出了面狀非均布的錨桿布置方式。既充分考慮覆土自重和上部結(jié)構(gòu)恒載的有利影響，又在板塊跨中布置錨桿，減小板塊計(jì)算跨度。

眾所周知，覆土自重和上部結(jié)構(gòu)恒載通過柱和柱下獨(dú)立基礎(chǔ)傳給地基，這些荷載在底板上形成了以柱為中心的錐形壓重區(qū)，在該壓重區(qū)的一定范圍內(nèi)恒載可抵消水浮力。即在計(jì)算底板板塊時(shí)，其板塊角部區(qū)域水浮力已被抵消，僅剩板塊跨中區(qū)域（正交板帶）水浮力，需底板自重和抗浮錨桿共同抵抗。

由板塊彈塑性變形理論可知，板塊塑性鉸線處變形最大，將抗浮錨桿沿塑性鉸線周邊布設(shè)，可將其抗拔力充分發(fā)揮，約束板塊變形，減小板塊內(nèi)力。為減小地梁計(jì)算跨度，在地梁跨中兩側(cè)布設(shè)錨桿，可形成地梁跨中彈性支座，約束地梁變形，減小地梁內(nèi)力。對(duì)抗浮錨桿施加預(yù)應(yīng)力［4，5］可更好地控制底板結(jié)構(gòu)變形，防止發(fā)生過大位移。布設(shè)抗浮錨桿時(shí)尚應(yīng)滿足錨桿間最小凈距離要求。

根據(jù)上述分析，本文將預(yù)應(yīng)力面狀非均布（圖1）、預(yù)應(yīng)力面狀均布（圖2）、非預(yù)應(yīng)力面狀非均布和非預(yù)應(yīng)力面狀均布，共四種不同的錨桿布置方式進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比其各種布置方式下板底結(jié)構(gòu)的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。

3 三維數(shù)值模型

3.1 研究對(duì)象

本文以某地下車庫加固工程為實(shí)例，該地下車庫為獨(dú)立地下一層現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，底板板厚350 mm，框架柱柱網(wǎng)間距11.0 m×9.5 m，采用C30混凝土，基底埋深8.2m，采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，底板配重層厚800 mm，采用C25混凝土，錨桿采用直徑為36 mm的三級(jí)鋼筋，入巖6.0 m，孔徑150 mm。

選取該地下車庫東西向和南北向各三跨作為研究對(duì)象，分別對(duì)抗浮錨桿為預(yù)應(yīng)力面狀非均布、預(yù)應(yīng)力面狀均布、非預(yù)應(yīng)力面狀非均布和非預(yù)應(yīng)力面狀均布的四種方案建設(shè)三維數(shù)值模型。為簡(jiǎn)化計(jì)算，框架柱取底板面以上2.0 m，三維數(shù)值模型的幾何邊界如圖1—圖3所示。

圖1 面狀非均布水平向幾何邊界Fig.1 Un-uniformly distributing in plane horizontal geometry boundary

3.2 數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)

本構(gòu)模型及結(jié)構(gòu)單元：中風(fēng)化砂巖層、強(qiáng)風(fēng)化砂巖層和混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件均采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，抗浮錨桿采用cable錨索單元，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和持力層之間采用interface結(jié)構(gòu)面。

位移邊界：四周側(cè)面限制其水平位移，底面限制其豎向位移。

應(yīng)力邊界：預(yù)應(yīng)力錨桿預(yù)加應(yīng)力120 kN，水浮力65.5 kPa，地下車庫頂板、梁、柱和室外覆土等恒載折算至單柱上的荷載為1 995.2 kN。

三維數(shù)值模型如圖4所示，模型材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2 面狀均布水平向幾何邊界Fig.2 Uniformly distributing in plane horizontal geometry boundary

圖3 豎向幾何邊界Fig.3 Vertical geometry boundary

圖4 三維數(shù)值模型Fig.4 3D numericalmodel

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)大量數(shù)值模擬計(jì)算后，現(xiàn)分別將錨桿為預(yù)應(yīng)力面狀非均布、預(yù)應(yīng)力面狀均布、非預(yù)應(yīng)力非均布和非預(yù)應(yīng)力面狀均布，四種模型的計(jì)算結(jié)果中對(duì)底板結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和錨桿軸力分布形態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 M echanical and physical parameters ofmaterial

4.1 位移場(chǎng)

四種錨桿布置方式的底板混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件位移場(chǎng)分布如圖5－圖8所示。

由圖5－圖8可知，預(yù)應(yīng)力面狀非均布、預(yù)應(yīng)力面狀均布、非預(yù)應(yīng)力非均布和非預(yù)應(yīng)力面狀均布，四種布置方式底板頂面向上的最大位移分別為0.066 mm、0.064 mm、0.133 mm、0.125 mm。當(dāng)錨桿采用預(yù)應(yīng)力時(shí)底板頂面向上的最大位移量，僅為錨桿無預(yù)應(yīng)力時(shí)底板頂面向上的最大位移量的50%。由此可見，對(duì)抗浮錨桿施加預(yù)應(yīng)力可更好地控制底板結(jié)構(gòu)變形。

圖5 預(yù)應(yīng)力面狀非均布位移云圖Fig.5 Displacement contour chart of prestress un-uniform ly distributing in plane

圖6 預(yù)應(yīng)力面狀均布位移云圖Fig.6 Displacement contour chart of prestress uniform ly distributing in plane

圖7 非預(yù)應(yīng)力面狀非均布位移云圖Fig.7 Displacement contour chart of un-uniformly distributing in plane

圖8 非預(yù)應(yīng)力面狀均布位移云圖Fig.8 Displacement contour chart of uniformly distributing in plane

由位移云圖可知，當(dāng)錨桿面狀非均布時(shí)底板頂面向上的最大位移面域僅在單元板塊中心點(diǎn)附近出現(xiàn)且板塊間獨(dú)立存在；而當(dāng)錨桿面狀均布時(shí)最大位移面域橫跨單元板塊，延伸至地梁頂面，各板塊間成貫通態(tài)，且該面域大于面狀非均布時(shí)的面域。

由上述可知，錨桿預(yù)應(yīng)力非均布時(shí)，底板變形量小，最大位移面域小，變形均勻、規(guī)則，所以該錨桿布置方式較其他三種錨桿布置方式對(duì)控制底板和地梁的變形更有效、更規(guī)則。

4.2 應(yīng)力場(chǎng)

四種錨桿布置方式的板底、地梁、柱下獨(dú)立基礎(chǔ)等混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力場(chǎng)分布如圖9－圖12所示，地梁支座拉應(yīng)力和跨中壓應(yīng)力最大值統(tǒng)計(jì)表如表2所示。

圖9 預(yù)應(yīng)力面狀非均布SXX應(yīng)力云圖Fig.9 SXX stress contour chart of prestress un-uniform ly distributing in plane

圖10 預(yù)應(yīng)力面狀均布SXX應(yīng)力云圖Fig.10 SXX stress contour chart of prestress uniformly distributing in plane

圖11 非預(yù)應(yīng)力面狀非均布SXX應(yīng)力云圖Fig.11 SXX stress contour chart of un-uniformly distributing in plane

圖12 非預(yù)應(yīng)力面狀均布SXX應(yīng)力云圖Fig.12 SXX stress contour chart of uniformly distributing in plane

表2 四種錨桿布置方式下地梁支座、跨中最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表Table 2 M ax stress of support and m id-span of ground beam under four different anchor layout styles MPa

由圖9－圖12和表2可知，當(dāng)錨桿同為面狀非均布時(shí)，是否采用預(yù)應(yīng)力對(duì)地梁應(yīng)力影響不大，當(dāng)錨桿同為面狀均布時(shí)，是否采用預(yù)應(yīng)力對(duì)地梁應(yīng)力影響亦不大。這是由于本次計(jì)算中在抗浮錨桿約束作用下，錨桿為預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力時(shí)底板和地梁的變形均較小，固地梁應(yīng)力反應(yīng)不明顯。

但面狀非均布和面狀均布兩種布置方式對(duì)地梁應(yīng)力影響較大，面狀非均布時(shí)地梁支座最大拉應(yīng)力僅為面狀均布的88%，面狀非均布時(shí)地梁跨中最大壓力僅為面狀均布的85%。從最大應(yīng)力面域上看，當(dāng)錨桿布置為面狀非均布時(shí)地梁跨中最大壓應(yīng)力面域明顯小于面狀均布。

由上述可知，面狀非均布相比面狀均布，可使地梁支座和跨中應(yīng)力明顯減小，因此錨桿面狀非均布可降低地梁內(nèi)力，從而節(jié)約造價(jià)。

4.3 錨桿軸力

取四種錨桿布置方式下，中間板塊單元（2～3軸／B～C軸）中12根錨桿的軸力對(duì)進(jìn)行對(duì)比分析，錨桿軸力分布形態(tài)如圖13所示，錨桿編號(hào)如圖1、圖2所示。

圖13 四種錨桿布置方式下錨桿軸力對(duì)比圖Fig.13 The axial force of anchor under four different anchor layout styles

由圖13可知：預(yù)應(yīng)力面狀非均布時(shí)，錨桿軸力最大值為162.3 kN，軸力最小值為115.2 kN，最小值為最大值的70.9%；預(yù)應(yīng)力面狀均布時(shí)，錨桿軸力最大值為177.9 kN，軸力最小值為114.2 kN，最小值為最大值的64.2%；非預(yù)應(yīng)力面狀非均布時(shí)，錨桿軸力最大值為160.5 kN，軸力最小值為110.3 kN，最小值為最大值的68.7%；非預(yù)應(yīng)力面狀均布時(shí)，錨桿軸力最大值為175.2 kN，軸力最小值為94.3 kN，最小值為最大值的53.8%。

由上述可知，不管預(yù)應(yīng)力施加與否，面狀均布時(shí)錨桿軸力最大值大于非均布時(shí)錨桿軸力最大值，面狀均布時(shí)錨桿軸力最小值小于非均布時(shí)錨桿軸力最小值。當(dāng)錨桿為面狀非均布時(shí)，預(yù)應(yīng)力錨桿與非預(yù)應(yīng)力錨桿，各錨桿軸力均相差較小；但當(dāng)錨桿為面狀均布狀態(tài)下，非預(yù)應(yīng)力錨桿的最小值與預(yù)應(yīng)力錨桿的最小值相差20 kN。因此當(dāng)錨桿為面狀非均布時(shí)，板塊內(nèi)各錨桿軸力分布更趨均勻，更有利于錨桿地統(tǒng)一配置。

5 結(jié) 語

在上述地下車庫加固工程實(shí)例中，采用了預(yù)應(yīng)力面狀非均布錨桿布置方式，加固完成后的幾次暴雨中，地下車庫結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，表明抗浮加固效果良好，地下車庫滿足了永久抗浮和安全使用要求，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

本文通過文獻(xiàn)研究總結(jié)了抗浮錨桿現(xiàn)有的集中點(diǎn)布和面狀均布的布置形式，并分析了各自的傳力途徑及其優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)地下室防水板結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力模式和板塊彈塑性變形理論，提出了面狀非均布的錨桿布置方案，即沿底板塑性鉸線周邊和地梁跨中布設(shè)錨桿。

結(jié)合工程實(shí)例，采用三維數(shù)值模擬分別對(duì)預(yù)應(yīng)力面狀非均布、預(yù)應(yīng)力面狀均布、非預(yù)應(yīng)力面狀非均布和非預(yù)應(yīng)力面狀均布，四種錨桿布置方式下的底板板頂位移、地梁和底板應(yīng)力、錨桿軸力進(jìn)行了對(duì)比分析。通過分析認(rèn)為，當(dāng)錨桿未預(yù)應(yīng)力面狀非均布時(shí)，地下室底板變形量小，最大位移面域小，變形均勻、規(guī)則，對(duì)底板和地梁的變形控制更有效，地梁支座和跨中內(nèi)力更小，板塊內(nèi)各錨桿軸力分布更均勻，更有利于抗浮錨桿地統(tǒng)一配置，從而使地下室抗浮更安全、更經(jīng)濟(jì)。

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Numerical Analysis Study of Anti-floating Anchor Layout Styles

SUNWeiwu1HUANG Linwei2，*
（1.Zhuji Construction Engineering Quality Supervision Station，Zhuji311800，China；2.Zhejiang Academy of Building Research and Design Ltd.，Hangzhou 310012，China）

This paper summarized the existing anti-floating anchor layout styles and it compared their advantages and disadvantages.According to the force-transmittingmode of bottom plate and the theory of elastic-plastic deformation，it proposed the un-uniformly distributing in plane scheme，which deploys anchors around the yield line of bottom plate and atmid-span of ground beam.Based on project practices and 3D numerical simulations，this papermade comparative analyses of the top of bottom plate displacement，ground beam and bottom plate stress，anchor axial force under four different anchor layout styles：prestress un-uniformly distributing in plane，prestress uniformly distributing in plane，un-uniformly distributing in plane，and uniformly distributing in plane.Through analyses，it is concluded thatwhen anchors are prestress un-uniformly distributed in plane，the bottom plate deformation and ground beam deform is little and regular and ground beam internal force is small.Additionally，the axial force of each anchor bolt iswell distributed，which is beneficial to distribute anti-floating anchors unified to ensure the anti-floating basement safer and more economical.

anti-floating anchor，3D numerical simulation，prestress，un-uniformly distributing in plane，uniformly distributing in plane.

2013-04-19

*聯(lián)系作者，Email：hzblw518＠126.com