浅谈地下结构的抗浮设计

2022-12-15姚棋

四川水泥 2022年12期

姚棋

（福州市城乡规划设计院有限公司，福建福州 350007）

0 引言

随着城市化进程的加快，城市可开发利用的地面空间愈发紧张，因此，对城市地下空间的开发利用迅猛发展，建设了一大批地下工程。随着城市地下空间的大力开发，各类事故与灾害也势必增多，其中地下水对建筑结构的影响极大。虽然一些工程中地下室无水或者常水位较低，未发生工程事故，但每当暴雨过后地下水位急速升高，形成积水而无法及时消散时，地下水的上浮作用就可能会给地下室结构带来严重的不可逆的破坏[1]。此外，部分结构设计师采用上部结构自重进行抗浮设计时，只片面地认为上部结构的自重标准值大于总的水浮力设计值时就满足抗浮设计要求，而未分析上部结构自重荷载的分布和抗浮力的传力路径，从而造成局部范围内抗浮压力或抗浮拉力小于水浮力，导致地下室底板不规则隆起，甚至造成地下室以及上部结构构件发生大面积破坏。因此，结合具体工程特性，选择安全、经济、可行的抗浮措施，是地下建(构)筑物亟需解决的重要问题之一。

1 结构抗浮设计的基本概念

结构抗浮设计包括结构抗浮稳定设计和结构底板在水浮力作用下的强度设计。结构抗浮稳定问题为结构整体或局部在水浮力作用下因不能保持原来位置而发生的结构整体或局部上浮，这种上浮运动有可能是整体的刚体运动，也可能是因为结构某部分的上浮运动受到约束而使结构体产生较大的变形破坏；结构底板在水浮力作用下的强度问题仅仅是基础底板在净水浮力下的强度破坏，与恒活载作用下的强度破坏形式没有区别。

两类问题的主因相同，都是水浮力的作用，与地下水位的高低有密切的关系。一般来说，存在抗浮稳定问题的工程，必然存在基础底板在水浮力作用下的强度问题。但存在水浮力作用下基础底板强度问题的工程，不一定存在抗浮稳定问题，关键在于抗浮设防水位的高低。

（1）当抗浮设防水位低于基础底板，此时既不存在结构底板在水浮力下的强度问题，也不存在结构的抗浮稳定问题。

（2）当抗浮设防水位高于基础底板，由水浮力工况控制但水浮力合力尚未超过建筑物结构自重与附加恒载的合力时，基础底板存在强度问题，整个结构体尚不存在整体的抗浮稳定问题，但不排除结构体局部存在抗浮稳定问题。当抗浮设防水位继续升高，仅靠结构自重及附加恒载无法平衡水浮力，就存在结构整体的抗浮稳定问题，也必然存在基础底板在水浮力下的强度问题。

2 工程概况

福建省福州市晋安区某镇一工程，由2幢6F办公楼、2层地下室组成，柱网为8.4m×8.4m，采用600mm厚筏板基础（局部冲切不够，加厚处理），如图1所示。该工程±0.00m相当于罗零高程37.100m，根据地勘资料，抗浮设防水位建议采用36.50m（罗零高程）。底板面标高为-8.500m，疏水层厚100mm，地下室水头高度为8.5m。

图1 筏板基础局部平面布置

3 结构抗浮设计的主要内容

结构抗浮设计的主要内容包括两部分：（1）结构构件（筏板、防水板、地下室外墙等）在水压力作用下的强度设计（截面尺寸与配筋）；（2）地下水浮力作用下的整体与局部抗浮稳定性设计。严格意义上，二者计算水浮力时所采用的水头并不一定相同，抗浮稳定计算的水头一般要高于结构构件强度计算的水头。

3.1 结构构件强度设计

（1）防水板荷载的计算。防水板及其疏水层自重：

qs1=25×0.6+20×0.1=17kN/m2

水浮力标准值：

qw=10×8.5=85kN/m2

防水板荷载设计值：

qwj=1.5×85-1.0×17=110.5kN/m2

（2）防水板的受力计算。

防水板按无梁楼盖设计，如图2所示。

图2 无梁楼盖的板带划分

其中：bce=4.2 m,lx=ly=8.4 m,q=qwj=110.5kN/m2

Mx=My=qly(lx-2bce/3)2/8=110.5×8.4×(8.4-2×4.2/3)2/8=3465.28kN·m

防水板弯矩：

柱下板带：M1支=0.5×3465.28=1732.64kN·mM1中=0.18×3465.28=623.75kN·m

跨中板带：M2支=0.17×3465.28=589.1kN·mM2中=0.18×3465.28=519.8kN·m

防水板的配筋设计：

柱下板带：As,1支=M/(0.9fyh0)=1732.64/(0.9×360×1.16)=4610.05mm2

As,1中=M/(0.9fyh0)=623.75/(0.9×360×0.56)=3437.78mm2

跨中板带：As,2支=M/(0.9fyh0)=589.1/(0.9×360×0.56)=3246.80mm2

As,2中=M/(0.9fyh0)=519.8/(0.9×360×0.56)=2864.86mm2

最小构造配筋：As,min=0.15%bh=0.15%×1000×600=900mm2

故防水板配筋率为计算配筋控制，不是构造配筋控制。

3.2 抗浮设计

抗浮设计包括两部分内容：（1）整体抗浮，要求建筑物自重和压重之和大于水的浮力，保证地下结构整体不上浮；（2）局部抗浮，保证地下室局部构件，如基础底板、地下墙体、梁柱节点不出现局部应力较大而发生开裂或变形[2]。

3.2.1 整体抗浮

依据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[3]，建筑物基础存在浮力作用时应进行抗浮稳定性验算。

式中：

Gk——建筑物自重及压重之和，kN；

Nw,k——浮力作用值，kN；

Kw——抗浮稳定系数，一般情况下可取1.05。

依据《建筑工程抗浮技术标准》（JGJ 476－2019）[4]，建筑工程抗浮稳定性应符合式（2）规定：

式中：

G——建筑结构自重、附加物自重、抗浮结构及构件抗力设计值总和，kN；

Nw,k——浮力设计值，kN；

Kw——抗浮稳定安全系数。

根据地勘资料，该工程建筑抗浮设计等级为乙级，水文地质条件复杂程度为中等复杂。故使用期的抗浮稳定安全系数为1.05，与《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[3]的规定一致。

通过盈建科软件计算得到此工程的整体抗浮数据如表1所示。

表1 整体抗浮数据计算结果

综上所述，此工程整体抗浮满足设计要求。

3.2.2 局部抗浮

依托工程局部浮力最不利处为2#主楼下的两层地下室，室外覆土厚度为1m，室内±0.00相当于罗零高程37.100m，根据地勘资料，抗浮设计水位建议采用36.50m（罗零高程）。

取最不利柱网尺寸8.4m×8.4m进行计算，地下一层顶板厚250mm，地下二层顶板厚250mm，均为梁板式楼盖，底板筏板厚600mm，面层厚100mm，基础底标高为-9.00m；上部楼层共6层，标准层板厚120mm，屋面板厚120mm，楼层恒载标准值为1.5kN/m2,屋面恒载标准值为4kN/m2。

（1）抗浮计算。

①地下室恒载。

柱子自重：25×8.4×0.6×0.6=75.6kN

顶板自重：25×0.25×2×8.4×8.4=882kN

底板自重：25×0.6×8.4×8.4=1058.4kN

疏水层自重：20×0.1×8.4×8.4=141.12kN

恒载自重：1.5×8.4×8.4×2=211.68kN

则地下室恒载为：

G1=75.6+882+1058.4+141.12+211.68=2368.8kN

②上部楼层恒载。

柱子自重：25×3.6×0.5×0.5×6=135kN

楼层梁板自重：