某地下室抗浮设计

陈 一

(福州市建筑设计院 福建福州 350001)

引言

随着城市的高速发展，高层建筑或超高层建筑将越来越多，大量的高层建筑物为了满足人防指标、停车位数量和整体安全性的需要，不断加大基础埋深，使地下室向多层和超深的规模发展。由于地下水的存在，基础底板埋深越大，地下室结构需要承受的水浮力作用也越大，这对结构将产生不利影响。因此，抗浮设计是地下室设计中的重要问题。

本文结合一个工程实例，介绍如何应用PKPM软件进行地下室的抗浮设计。

1 工程概况

本工程位于福州市马尾区，地上三栋高层建筑，地下二层地下室，上部采用剪力墙结构，纯地下室部分采用框架结构，地下室人防等级核6级。地下室部分建筑面积26323，大部分柱网双向跨度均在8m以上。建筑正负零标高为罗零高程8.45m，室外地面相对标高为－0.45m，地下室顶板板面相对标高为－1.25m，覆土800mm。底板板厚取400mm，相对标高为－9.9m(即罗零高程－1.45m)，上设200mm厚疏水层。

根据勘察报告，本工程位于闽江江边，场地地下水与场地边的闽江水力联系较密切、具随季节呈互补关系特征，抗浮设防水位按设计使用年限内最高洪水位确定，为罗零标高6.50m，常水位为罗零5.00m，抗浮水位与地下室标高剖面关系如(图1)。本工程基础采用500径PHC管桩，单桩竖向承载力特征值2500kN，可兼作抗拔桩，单桩抗拔承载力特征值550kN。

由于地下室深度很大，所以地下室底板承受的水浮力也很大，抗浮设计是本工程地下室设计的重中之重。

图1 抗浮水位与地下室标高剖面关系

2 整体抗浮验算

根据《基础设计规范》[1]第5.4.3条，地下室抗浮稳定性应符合下式

其中GK为建筑物自重及压重之和(正向荷载)，NWK为浮力作用值(反向荷载)，KW为抗浮安全系数，通常取1.05。当上式不满足时，可采用增加压重或设置抗浮构件等措施。

对于整体抗浮验算，有些设计人员只计算上部结构总自重标准值大于总的水浮力设计值的1.05倍，就认为抗浮设计满足要求，这种做法是错误的。对大面积地下室上建有多栋高层建筑的情况，建筑的自重不均匀，上部为高层的部分，由于结构自重远比水浮力大，通常不存在抗浮问题;纯地下室部分，自重相对较小，一般情况下，结构自重无法抵抗地下水浮力，同时各处柱的受荷面积不同，自重与水浮力的差值也不同，所以应进行分区、分块的抗浮验算，验算各柱下的压力能否平衡它所影响区域内的水浮力总值。通过PKPM软件我们可以轻松实现这一点。

我们可以通过PKPM建立包括底板层在内的地下室模型，顶板层和地下一层的荷载输入不再赘述。对于底板层，受到正反两个方向的荷载，正向恒载为底板梁板自重及底板面层荷载;反向荷载为水浮力，设计水位取抗浮水位。其中，梁板自重PKPM会自行计算，水浮力标准值Ffk和底板面层Gm可按如下计算:

Ffk=10×(6.5+1.45)=79.5kN/m2(↑)

Gm=20×0.2=4 kN/m2(↓)

所以，我们可以在底板层恒载项中输入荷载:

－79.5x1.05+4= －79.5 kN/m2，

经过PKPM整体模型计算后，查询各柱在恒载下的柱底力，若为负值则表示正向荷载大于反向荷载;若为正值，则可根据此数值设计抗拔桩，应保证单根柱下布置的抗拔桩的抗拔承载力特征值之和大于该值与桩基自重之差。综合考虑在无水浮力情况下的抗压桩布置，可以确定本工程的桩基布置

3 地下室底板设计

本工程基础梁跨度大，刚度远小于相连承台的刚度，故计算地下室底板梁板时，可将承台作为基础梁板的刚性支座。利用PKPM建模时，将承台按相同尺寸的柱输入，各承台间设一道基础梁联系，梁中与承台中心连线对齐，在总信息中选择不计算地震力和风荷载，并选择“梁柱重叠部分简化为刚域”。接下来的关键是荷载的确定。

作用在底板上的荷载包括正反两个方向，在进行底板结构设计时，应根据实际工程情况考虑各种荷载最不利组合。由于地下室为人防地下室，应考虑人防和非人防两种情况:

当无人防荷载组合时，地下水位取抗浮设计水位。根据《建筑结构可靠度设计统一标准》[5]，当可变荷载效应对结构构件的承载能力有利时，可变荷载分项系数应取为0，即不考虑有利活载;根据《荷载规范》[3]中第3.2.4条规定，抵抗水浮力的自重作为永久荷载，有结构有利时分项系数取1.0;在该条第3款中，“对结构倾覆、滑移和漂浮验算，荷载的分项系数应按有关结构设计规范的规定采用”，查阅相关的结构设计规范，只有《给排水工程构筑物结构设计规范》[6]第5.2.2条提到了关于水浮力可变荷载的分项系数取1.27，故本工程将水浮力的分项系数取1.3。

抗浮设计水位下，底板上水浮力标准值为79.5(↑)，正向恒载标准值为0.4×25+0.2×20=14kN/m2(↓)。所以非人防情况下底板荷载设计值为:1.3×79.5－14=89.35kN/m2。

在人防荷载组合时，设计水位取常水位罗零5.0m，净水压力标准值为10×(5+1.45)=64.5kN/m2。根据《人防规范》[4]第4.10.2 条，底板荷载设计值为:1.2 ×64.5 －14+25=88.4kN/m2。

由上可知，非人防工况下底板荷载及配筋大于人防工况，可只计算非人防工况。由于我们将荷载输入在PKPM中的恒载项，故输入荷载为89.35/1.35=66.2kN/，并在荷载定义中选择不自动计算现浇板自重。底板梁板均采用HRB400钢筋，根据《混凝土规范》[2]第8.5.1条注2，底板钢筋的最小配筋率为45×1.43/360=0.18%。

4 方案改进

4.1 问题的提出

通过以上方法进行底板梁板配筋计算后，发现由于水浮力较大且柱网尺寸较大，所以底板配筋很大。为减少配筋节省造价，拟通过把部分原来承台间的单梁改为双梁，如原600×1000布于两承台中心连线的单梁改为两道300×1000布于承台间桩心连线的梁，底板板厚仍取400mm不变，从而减小板跨，进而减小配筋。取其中一个8.4m×9.5m的典型板块，二者布置对比如(图2、图3)。

图2 单梁方案基础梁布置

图3 双梁方案基础梁布置

4.2 模型修改

要实现以上的布置修改，原本将承台按柱输入的方法难以模拟，故在模型中输入承台中各桩连线，并在连线上布墙，围起的部分可模拟一个承台，然后按新的布置输入基础梁。

模型建立后，我们首先输入79.5的恒载，算出底板在1.05倍水浮力作用下，围成承台的各道墙向上的净作用力标准值，将其相加可得每个承台受到向上的净作用力标准值。然后建模计算，在地下室顶板和地下一层恒载作用下，地下室各柱的柱底力标准值。二者相减的值应小于该承台下抗拔桩的总抗拔承载力标准值与该承台自重之和。经计算，原桩基布置满足要求。

4.3 单双梁方案比较

对比单双梁方案的梁板配筋，仍以之前8.4m×9.5m的板块为例。单梁方案基础梁配筋计算结果如(图4)，底板配筋时考虑承台的有利影响，输入墙来模拟承台，底板配筋结果见(图5)。双梁方案的基础梁板配筋计算结果见(图6、图7)。

图4 原设计基础梁计算配筋结果

图5 原设计底板配筋面积图

通过工程量统计，单双梁方案的混凝土用量基本相同，底板梁板单位面积钢筋用量如(表1)。

表1 新旧方案底板梁板单位面积钢筋用量

图6 新方案基础梁计算配筋结果

图7 新方案底板配筋面积图

通过以上图表对比可见，修改方案后，基础梁总配筋差别不大，底板配筋每平米减少10.1kg、减少了21%，节省了造价。

5 结语

(1)在进行地下室抗浮设计时，正确分析受力及荷载取值是重点，合理应用计算程序辅助，建立一个比较符合实际受力情况的模型，能使我们的设计更趋合理。

(2)承台作为基础梁的刚性支座，改单梁为双梁后，基础梁配筋基本不变，由于计算板块跨度明显减小，可以使底板配筋大大减小，节省了造价。施工中应注意基础梁纵向钢筋锚入承台内长度应从桩边起算，并满足锚固长度要求。

[1]GB50007－2011，建筑地基基础设计规范[S].

[2]GB50010－2010，混凝土结构设计规范[S].

[3]GB50009－2012，建筑结构荷载规范[S].

[4]GB50038－2005，人民防空地下室设计规范[S].

[5]GB50068－2001，建筑结构可靠度设计统一标准[S].

[6]GB50069－2002，给水排水工程构筑物结构设计规范[S].