劉育博

(四川省建筑設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610000)

1 問(wèn)題的提出

近年來(lái)隨著城市化進(jìn)程的不斷深入，土地資源有限的情況下，人們對(duì)地下空間的利用愈發(fā)重視[1]。城市建筑的地下室層數(shù)越來(lái)越多，地下室承受的地下水浮力也大幅增加，對(duì)廣大結(jié)構(gòu)工程師而言，地下室抗浮設(shè)計(jì)便成為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

1.1 體抗浮問(wèn)題

抗浮設(shè)計(jì)首先需要解決的是整體抗浮問(wèn)題，即地下室是否會(huì)被地下水浮起來(lái)的問(wèn)題，須進(jìn)行抗浮整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，計(jì)算方式如下：

GK/NW,K≥KW[2]

(1)

公式(1)中：GK為建筑物自重及壓重之和(kN)；NW,K為浮力作用值(kN)；KW為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般情況下可取1.05。值得注意的是當(dāng)結(jié)構(gòu)部分區(qū)域重量較其它區(qū)域輕(如樓層板開(kāi)大洞或板面恒載較少)時(shí)，須對(duì)該區(qū)域進(jìn)行附加整體抗浮計(jì)算。當(dāng)按照公式(1)計(jì)算無(wú)法滿足要求時(shí)，則需要采取抗浮措施(增加配重，設(shè)置抗浮錨桿等)以保證基礎(chǔ)安全[3]。計(jì)算公式如下：

GK/KW+nR≥NW,K

(2)

公式(2)中：n為抗浮錨桿數(shù)量；R為錨桿抗浮承載力特征值。其余符號(hào)意義同公式(1)。

1.2 局部抗浮問(wèn)題

局部抗浮問(wèn)題，即底板在浮力下的承載力設(shè)計(jì)問(wèn)題。具體而言就是地下室底板按照承受的水浮力進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)及承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。目前各大主要軟件在此方面功能較為完善，具體細(xì)節(jié)本文不再展開(kāi)贅述。

抗浮錨桿設(shè)置于底板以下土層中，并可靠錨固在基礎(chǔ)底板內(nèi)，依賴土層與錨桿錨固體之間的粘接強(qiáng)度提供抗拔承載力[3]，主要是解決地下室的整體抗浮問(wèn)題。目前四川地區(qū)抗浮錨桿設(shè)計(jì)大多歸于巖土工程專項(xiàng)設(shè)計(jì)，流程是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位提供地下室需要補(bǔ)充的抗浮力，專項(xiàng)設(shè)計(jì)單位(一般為地勘單位或巖土公司)根據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行抗浮錨桿專項(xiàng)設(shè)計(jì)。正是由于這種特殊性，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師很少注意最終錨桿設(shè)計(jì)的直徑、根數(shù)、布置間距，而錨桿設(shè)計(jì)工程師也并不考慮底板的厚度是否能夠滿足錨桿的有效錨固，最終可能造成抗浮錨桿直線段錨固長(zhǎng)度不足，使得抗浮錨桿設(shè)計(jì)普遍存在一定的安全隱患。

2 工程實(shí)例

某辦公樓位于成都市青羊區(qū)，由筆者完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。地下1層，地上5層，框架結(jié)構(gòu)，典型柱網(wǎng)為8.1 m×8.1 m，地下室范圍較主樓范圍外擴(kuò)1～2跨。主樓由于層數(shù)較多，自重遠(yuǎn)超過(guò)水浮力，不存在整體抗浮問(wèn)題，不需要設(shè)置抗浮錨桿；純地下室由于自重不足需要滿堂設(shè)置抗浮錨桿。圖1為典型柱網(wǎng)平面及錨桿布置圖，基礎(chǔ)形式采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板，防水板厚度450 mm?；A(chǔ)圖中明確要求，純地下室范圍需進(jìn)行抗浮錨桿專項(xiàng)設(shè)計(jì)，抗拔承載力特征值為55 kPa。

圖1 典型柱網(wǎng)及錨桿平面

圖2 錨桿詳圖

筆者在查看了專項(xiàng)設(shè)計(jì)圖紙后，發(fā)現(xiàn)抗浮錨桿設(shè)計(jì)存在一個(gè)較大問(wèn)題，即錨桿鋼筋在底板的直線錨固長(zhǎng)度不足。根據(jù)現(xiàn)行GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.3.3條的要求，當(dāng)縱向受拉普通鋼筋末端采用彎鉤或機(jī)械錨固措施時(shí)，包括彎鉤或錨固端頭在內(nèi)的錨固長(zhǎng)度(投影長(zhǎng)度)可取基本錨固長(zhǎng)度lab的60 %[4]。也就是說(shuō)，在鋼筋強(qiáng)度充分利用的情況下，受拉錨固直錨段任何情況都需要0.6lab，否則即使附加錨固措施做得再多，也無(wú)法保證錨固效果。對(duì)本工程的錨桿而言，0.6lab=0.6×35×25=525 mm。錨桿設(shè)計(jì)圖僅要求總錨固長(zhǎng)度達(dá)到35d，扣除板面20 mm厚保護(hù)層、板面雙向鋼筋網(wǎng)28 mm后，實(shí)際直錨段僅為402 mm，大大低于規(guī)范值。

3 解決方案

為解決抗浮錨桿直線段錨固不足的問(wèn)題，筆者考慮以下3種方案，并把3種方案的優(yōu)劣整理出來(lái)進(jìn)行對(duì)比，供廣大工程師參考。

3.1 底板整體加厚法(方案一)

該方法是最易想到的辦法，優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，即施工方便、快捷。具體優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在土方開(kāi)挖、建筑防水做法、鋼筋綁扎成型都非常直接。缺點(diǎn)也很明顯，工程量大幅增加，成本顯著提高。以本工程為例，直錨段長(zhǎng)度525 mm，考慮到底板板面保護(hù)層厚度20 mm、板面雙向鋼筋網(wǎng)厚度28 mm，需要將底板加厚至600 mm。增加的工程量包括土方、混凝土用量、鋼筋用量。

3.2 底板局部加厚法(方案二)

這是筆者能夠想到的第二種方案，做法見(jiàn)圖3。即在每個(gè)錨桿位置增設(shè)一個(gè)局部加厚區(qū)，加厚區(qū)的水平尺寸不宜過(guò)小，否則沒(méi)有實(shí)際意義。其基本原理上可理解為底板必須具有足夠的抗拉剛度，以成為錨桿的受拉支座。筆者建議可參照基礎(chǔ)抗沖切的基本原理，即以錨桿向下沖切底板形成的水平尺寸為加厚尺寸。

圖3 底板局部加厚做法

3.3 錨桿頂部增加鋼筋法(方案三)

錨桿直線錨固段長(zhǎng)度不足是由于受力縱筋直徑較大引起的，如果能夠把錨桿的直徑降低、根數(shù)增加，便可把問(wèn)題徹底解決。于是筆者考慮在錨桿頂部用等面積的小直徑鋼筋置換原錨桿鋼筋。具體做法見(jiàn)表1。

表1 錨桿鋼筋置換

圖4 錨桿頂部增加鋼筋做法

4 綜合對(duì)比分析

文中所述的解決抗浮錨桿在底板錨固直線段錨固不足的方法均為可行的方案。為了更好的指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，筆者將這幾種方式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比，供廣大工程師參考。以本工程為例，統(tǒng)計(jì)單束錨桿負(fù)荷范圍內(nèi)(2 m×2 m)的工程造價(jià)的增加量(限于專業(yè)原因，下表僅計(jì)入材料費(fèi))。結(jié)合目前市場(chǎng)情況，筆者了解到成都市HRB400鋼材價(jià)格約為4 500元/t，C30混凝土價(jià)格約為450元/m3，土方開(kāi)挖費(fèi)用暫按照30元/ m3考慮。

從表2中可以看出，方案一盡管施工方便，但成本增加太多，一般情況下不推薦采用；方案二成本增加不顯著，但施工難度太大，附加工作量過(guò)多，需要工程師斟酌后使用；方案三的經(jīng)濟(jì)效益最顯著，從施工難度上而言適中，推薦使用。但客觀上講鋼筋的焊接工作量比較大，建議該部分工作在錨桿制作時(shí)焊接到位，盡量避免工地現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，否則困難較大。

表2 錨桿錨固方法的經(jīng)濟(jì)性比較

5 結(jié)束語(yǔ)

本文開(kāi)篇簡(jiǎn)述了地下室抗浮設(shè)計(jì)的基本思路，結(jié)合目前抗浮設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，即抗浮錨桿設(shè)計(jì)存在錨固不足的安全隱患，以實(shí)際工程為切入點(diǎn)，詳細(xì)分析錨桿直線段錨固不足的成因后，提出三種不同的解決方案，指出各方案優(yōu)缺點(diǎn)并對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比，最終推薦“錨桿頂部增加鋼筋法”來(lái)解決抗浮錨桿直線段錨固不足的問(wèn)題，供廣大工程師參考。