地下室抗浮設計中錨桿布置方案的比較研究

引言
　　隨著城市化進程的不斷發展，地下空間的利用越來越普遍。當建筑物結構自重輕，地下水位較高時，就需要考慮地下室的抗浮設計問題[1]。目前常用的方法有壓重法、抗浮錨桿（抗拔樁）等抗力設計方法，也有調整設計標高和阻隔排降地下水等減弱水浮力設計方法[2]。抗浮錨桿以其經濟技術收益高，施工簡便等優勢，廣泛地應用于工程建設中。在抗浮錨桿的設計中，工程技術人員往往忽視錨桿布置方案對結構的影響。本文以某工程為例，對抗浮錨桿布置方案進行了比較研究，并提出了一些設計建議。
　　1 工程概況
　　某小區配套輔助用房，地上兩層，地下兩層。首層為餐廳，二層為宿舍，地下兩層為辦公及倉儲用房。整體結構由相對規則的6×3跨的柱網組成，柱跨均為7.5m×7.5m，首層層高4.0m，二層層高3.2m，地下一層層高4.7m，地下二層層高為4.4m。基礎采用平板式筏形基礎加下柱墩，筏板厚度為500mm，下柱墩厚度為400mm。筏板板底相對標高為-9.7m，抗浮設計水位相對標高為-1.0m。
　　地質資料：素填土，層厚0.3～3.5m;粉質粘土，層厚3.1～7.7m;中砂，層厚4.8～8.1m，∫ak=240kpa;卵石，層厚1.1～2.5m，∫ak=350kpa。
　　2 整體抗浮穩定設計
　　本工程采用盈建科1.8.3軟件進行建模計算，經計算得，結構自重以及壓重之和為Gk=82710kN，浮力作用值Nwk=93580kN，Gk<Nwk，需進行地下室抗浮設計。現采用抗浮錨桿進行抗浮設計。假定抗浮錨桿直徑為150mm，抗拔承載力特征值取100kN。抗浮穩定安全系數取Kw=1.05[3]，并滿足下式：
　　（Gk+nF）/KW≥Nwk
　　其中，n為抗浮錨桿的根數，F為抗浮錨桿的抗拔承載力特征值。經計算得，n=155.49。現取一個柱跨7.5m×7.5m進行設計，計算得，每跨需要錨桿根數為8.6383根，取整為9根。
　　3抗浮錨桿布置方案的比較研究
　　抗浮錨桿的數量一般由整體抗浮穩定性驗算得出，本節對一個柱跨進行分析，根據上文中計算得出一個柱跨內需要9根抗浮錨桿，現給出如下六種布置方案：
　　采用盈建科軟件進行抗浮計算，本文采用了彈性地基梁板模型，該模型采用的是文克爾假定，考慮了整體彎曲變形的影響，并考慮了上部結構的剛度;采用非線性單元來模擬抗浮錨桿，將抗浮錨桿定義為只受拉的彈簧模型。通過非線性迭代計算，得出錨桿拉力及底板彎矩見圖2和圖3。
　　根據圖2可以看出，方案1是最不利的。其余五個方案中，抗浮錨桿拉力的平均值相差不大。其中，方案2和方案5的抗浮錨桿平均值最小，這說明錨桿的受力更加均勻，每根都發揮了很好的作用。對于同一種布置方案而言，布置在不同的位置，抗浮錨桿的受力也有很大的差異。在中間跨的地方，錨桿的平均拉力普遍比邊角跨要大。這是因為在邊角跨有剪力墻作為壓重，抵消了一部分的水浮力，使得錨桿分擔的水浮力變小。
　　從圖3可以看出，對于中間跨而言，方案2、4和5的底板跨中彎矩較小，底板的整體變形小，說明底板的整體穩定性更好，抗浮錨桿發揮的作用更大。對于邊跨而言，方案1的底板跨中彎矩最小，這是因為一方面錨桿集中布置在跨中，減小了底板跨中的變形，另一方面由于剪力墻作為固定支座，限制了底板的變形，使得底板的彎矩小于其他幾種布置方案。
　　綜合圖2和圖3，可以得出方案2是最優的布置形式。在實際工程中，錨桿的抗拔承載力特征值一般都是由現場試驗得出，將試驗測得的實際剛度和抗拔承載力特征值帶入模型中，得出真實的抗浮錨桿拉力和底板內力及變形。當然，抗浮錨桿最終的布置方案不光要考慮結構安全可靠這一個方面，造價和施工的可操作性上也是考量方案優劣的重要因素，對于一個最優的抗浮錨桿布置方案需要綜合考慮以上因素得出。
　　結語
　　在進行抗浮錨桿設計時，抗浮錨桿的布置形式對錨桿的拉力和底板的內力及變形影響較大。在設計時，需要對抗浮錨桿的布置進行多方案的比對，在綜合考慮結構安全可靠、經濟合理、施工簡便等方面的前提下，求得最優的布置方案。