建筑结构抗浮设计分析

2021-12-31李泽兰赵青羽丁国治刘伯江尹海松

工程建设与设计 2021年20期

李泽兰，赵青羽，丁国治，刘伯江，尹海松

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100176）

1 建筑结构抗浮设计必要性

建筑结构中抗浮设计主要集中在地下。受到地下水影响，建筑工程稳定性受到影响。以某2 层独立地下车库为例，实际施工设计与作业中，建筑结构存在明显的上浮情况，根据建筑观察记录资料可知，结构上浮高度最高达到1.42 m。不仅如此，结构主体还出现各种问题，如梁、板等出现明显的裂缝等现象。柱间板裂缝存在极大的破坏性，直接威胁到结构主体的安全。在这种情况下，若不能及时对建筑结构开展抗浮设计，将会为结构主体安全埋下隐患[1]。

建筑结构抗浮设计是建筑结构质量与安全保证的基础。结合地下水位变化情况，及时展开计算，尤其是建筑物承受浮力方面，在设计中要精准到具体数值，严格控制设计与施工过程[2]。当前常用的抗浮设计，主要从建筑整体角度出发，科学平衡自重。除此之外，还会对建筑结构承受的重量进行分化，维持整体结构的平衡性。建筑结构中抗浮设计的展开，不仅需要专业的知识，同时也需要有丰富的经验，从2 方面优化抗浮设计：整体抗浮和局部抗浮。地下水变化对浮力的影响较大，设计过程中需要全方位计算，及时对建筑结构抗浮设计方案做出调整，保证抗浮设计的作用发挥到最大[3]。

2 建筑结构抗浮设计问题

首先，整体抗浮失效问题。建筑结构抗浮设计期间，项目本身所体现出的自重，如果比地下水浮力小，则会受到地下水浮力的影响，建筑结构会出现明显的偏移情况，主体结构安全受到威胁[5]。尤其是汛期，受到降雨影响，地下水位出现明显变化，迅速升高，突破建筑结构所设定的抗浮防水标准，会出现明显的整体抗浮失效现象。当然设计期间受到勘察数据等的影响，抗浮设防水位的判断并不是很精准，也会增加整体抗浮失效现象出现的风险。一旦建筑结构出现整体抗浮失效，主体结构会发生明显位移，同时标高也会出现异常。虽然不会对建筑结构造成很大程度的损坏，但是依然会出现比较多的无害裂缝，若不能及时处理，必然会影响到建筑结构的寿命。

其次，局部抗浮失效问题。该问题的出现，主要是因为建筑结构本身所承载的自重超过地下水浮力，局部承载力下降，影响结构整体稳定性，继而出现一系列局部抗浮失效现象。当前的建筑结构施工中，因为施工设计中对抗浮设计规划不到位，尤其是对抗弯承载力方面的计算不精确，加上施工条件的影响，导致局部稳定性出现波动，出现局部抗浮失效，威胁建筑结构安全。

最后，局部与整体抗浮失效问题。局部与整体抗浮失效问题，即受到地下水的影响，同一个建筑结构中同时出现局部抗浮失效与整体抗浮失效。多数建筑结构施工中，经常出现抗浮失效的情况，尤其是地下车库或者地下仓储建筑等，出现了严重的底板破坏或者防水性能下降现象，从而导致局部与整体抗浮失效。该问题的出现会加剧建筑结构裂缝问题。

3 建筑结构抗浮设计中的抗浮验算

1）建筑结构的平均自重。建筑结构自重计算中，涉及2 方面因素：上覆土体质量和混凝土结构自重。建筑结构平均自重计算中，根据式（1）进行计算：

式中，G 为建筑结构自重，kN；γ 为构件材料重度，kN/m3；V 为构件体积，m3。

2）浮力计算。以全埋式地下结构为例，浮力计算公式为：

式中，P 为单位面积水浮力，kN/mm2；γw为水的容重，kg/m3；H为水头高度，m；H抗浮水位为抗浮水位标高，m；H基础底部为基础底部标高，m。

4 建筑结构抗浮设计具体方法介绍

建筑结构抗浮设计中，结合上述抗浮设计中存在的问题以及上浮理论研究等内容，对抗浮设计方法科学梳理，并且明确不同方法的适用范围。

4.1 抗浮桩的及时设置

建筑结构抗浮设计期间，可设置抗浮桩，主要是利用桩体及时分散建筑结构自重荷载，并且有效承担拉力。实际设置中，应观察地下水位情况，对桩体受力情况进行适当调整。这需要充足的抗浮设计经验，同时，还要掌握施工区域历年地下水位的变化情况，确定抗浮设防水位。确定设置抗浮桩后，需要对配筋进行准确计算，同时，进行基础底板的内力分析，在此基础上，还需要对地下水的压力进行综合考虑，由此来保证基础底板的抗浮性能。设置抗浮桩的方法适用范围比较广，应用也比较频繁，是经济适用的抗浮方法之一。

4.2 抗浮锚杆的设置应用

抗浮锚杆的施工需要用到砂浆和锚杆。施工处理中，以岩土层为基础，及时嵌入锚杆，使锚杆和岩土层成为一体，提高建筑结构的抗浮力，有效解决建筑基础结构抗浮方面的问题。抗浮锚杆在实际应用中，不会对建筑结构净高带来影响，并且施工成本相对较低，整个抗浮锚杆设置对受力合理分配，在实际应用中体现出明显优势。

在具体施工过程中，抗浮锚杆主要有3 种施工形式：（1）建筑结构本身的自重与浮力之间的差值不明显时，抗浮锚杆的设置可以选择集中点状布置，布置的常见范围以柱、墙下为主。在底板区域布置时，要先计算出防水板的配筋以及强度等参数，随后根据计算结果进行布置。（2）建筑结构中的梁板结构体系的自重与浮力数值相差较小时，宜集中线状布置锚杆。通常布置在建筑地下室的底板梁下方，由于相较于集中点状布置的锚杆更为集中，可以大大增强建筑地下室的抗浮特性。（3）建筑结构自重与浮力之间存在巨大差异时，需要采用面状均匀布置的形式，将抗浮锚杆集中布置在建筑地下室底板以下区域。

4.3 恒荷载重量增加法

在建筑结构的抗浮设计中，自重是非常关键的因素。抗浮问题的出现，主要原因是自重与浮力之间协调不到位。从恒荷载的角度出发，应适当增加建筑结构的自重，与产生的浮力相平衡。增加建筑自重的方法有很多，根据建筑结构的相关参数，可以适当对板厚进行调整或者对构建尺寸加以调整等。还可以从配重方面着手，通过材料的选择，达到自重增加的目的。例如，增加回填土的重量，增加底板外伸部分的重量；或者选择自重较大的施工材料，如铁屑混凝土、低标号混凝土等。除此之外，还可以适当增加结构的高度、层数等，在保证结构稳定性的基础上，协调自重与浮力之间的差值，保证建筑整体受力平衡。

4.4 水浮力释放方法

建筑结构中的底板施工，因为处于地下位置，所以，必须设置排水盲沟。施工前，应结合地下实际情况，对排水盲沟进行科学规划。在这个过程中，基底会汇集压力较大的水，需利用透水系统，将高压水引入集水系统，同时，在过滤层与导水层的辅助下，使其顺利进入储水系统。集水坑会接收引出的压力水，待达到建筑项目设定的标准水位，将集水坑的水及时吸出，由此达到水浮力释放的目的。但是，该方法的应用并不常见，建筑结构中底板位置正好处于不透水层时，可选择该方法；或者土层过于坚硬的情况下，也可以应用水浮力释放的方法。

5 建筑结构中抗浮设计的科学规划

5.1 及时调查、预测建筑项目地下水位

建筑结构抗浮设计开始之前，必须对建筑周围的环境与地质情况等进行详细的勘察。针对地下水制订全面的勘察计划。同时，对地下水层的分布等进行分析，掌握其规律。在此基础上，对现场施工涉及的所有区域的地质构造都要详细勘察，特别是地下水，从补给规律到联通规律等，都要进行全面的了解，对其变化规律进行总结，绘制地下水变化趋势图，得出不同季节地下水的变化特点。调查项目施工区域近些年的最高水位，现场流域情况等。

5.2 精准确定抗浮水位

如果施工现场地下水位资料显示地下水位变化波动大，并且没有对水位进行长期、持续性观测，设防水位的设定就需要参考实际勘测期间的最高水位变化曲线，取平均值作为设定标准。在此基础上，综合项目周围地形以及补给等情况，及时总结影响抗浮设计水位的因素。除此之外，还需要制订长期、持续性的观察方案，及时统计与整理资料，为后续工作开展提供参考。