建筑工程地下室抗浮设计思考

【摘 要】"抗浮设计"是地下室设计的一个重要部分,"抗浮水位"受多种因素的制约。通过工程设计实例,介绍了地下室设计过程中的"抗浮水位"的计算过程,制定包括主体结构抗浮方案和地下车库抗浮方案，以达到经济合理的预期目标。

【关键词】地下室；主体结构；车库；抗浮；设计

随着城市发展,新建建筑由于用地限制,其建造的地下室也越来越深,二层、三层地下室越来越普遍,地下室具有很多的优点和缺点,地下室具有能够扩大人们使用空间的作用是最受人们欢迎的;但是,地下室又存在防水效果差的缺点，在设计上探讨了地下室防水设计的目的与要求的基础上,分析了地下室防水设计的内容与方法。

1 工程概况

某建筑工程6＃楼，地上17层，地下1层，建筑总高度为52.0m，采用框剪结构。该工程有大片的一层地下车库，采用框架结构。主体采用静压预应力方桩基础加抗水板，地下车库采用独立基础加抗水板。地下车库与主体分缝，仅基础相连。该工程0.000相应于绝对高程为13.855。设计水位绝对高程为12.000，相当于-1.855；抗浮水位绝对高程为13.150，相当于-0.705。6＃楼地下室地面标高为-5.400（以下称为“地面一”），局部地面标高为-6.400（以下称为“地面二”），地下车库地面标高为-3.000（以下称为“地面三”）。

2 地下室抗浮计算

2.1 6＃楼主体结构抗浮方案初定

地下水抗浮设计有整体抗浮和局部抗浮（局部抗浮实际就是抗水板抵抗水浮力时的配筋设计，下文将抗水板的配筋设计称为局部抗浮）。6＃楼为高层建筑，建筑总重力远远大于水浮力，所以可以不考虑整体抗浮，只需要考虑局部抗浮，即需要考虑抗水板的配筋计算。抗水板是抵抗水浮力的构件，水浮力越大，抗水板配筋越大；抗水板上压重越大，抗水板配筋越小。因此，当时就有两种方案选择：方案一是将抗水板板面取到-6.400，即与地面二相平，地面一的地方压重，以减小抗水板配筋。方案二是为了方便施工，将抗水板和大部分单桩承台（高度1.0m）底作平，即板底标高为-7.400，板面取到-6.900，地面一、地面二的地方压重，以减小抗水板配筋。

2.1.1 方案一荷载计算

该工程6＃楼所有承台、基础梁、抗水板的面标高均为-6.400（电梯间筒体下承台面标高为-7.100），抗水板板厚取500mm，板底标高为-6.900，在地面一处的抗水板上用毛石混凝土回填至-5.400，回填厚度1.0m。

则抗水板所受浮力为：（6.9－1.855）×10＝50.45kN/m2（方向向上）；抗水板的抗浮荷载为：0.5×25＋1.0×20＝12.5＋20＝32.5kN/m2（方向向下，用于地面一），0.5×25＋0.0×20＝12.5＋0＝12.5kN/m2（方向向下，用于地面二）。

2.1.2 方案二荷载计算

该工程6＃楼所有承台、基础梁、抗水板的底标高均为-7.400（局部承台底标高为-8.400和-9.100），抗水板板厚取500mm，板面标高为-6.900，在地面一处的抗水板上用毛石混凝土回填至-5.400，回填厚度1.5m；在地面二处的抗水板上用毛石混凝土回填至-6.400，回填厚度0.5m。

则抗水板所受浮力为：（7.4－1.855）×10＝55.45kN/m2（方向向上）；抗水板的抗浮荷载为：0.5×25＋1.5×20＝12.5＋30＝42.5kN/m2（方向向下，用于地面一），0.5×25＋0.5×20＝12.5＋10＝22.5kN/m2（方向向下，用于地面二）。

2.1.3 分项系数及荷载设计值

抗水板水浮力按活荷载考虑，分项系数取γQ=1.4，抗浮荷载为恒荷载，对结构有利，则其分项系数取γG=1.0。

则方案一荷载设计值为：50.45×1.4-32.5×1.0＝38.13kN/m2（方向向上，用于地面一），50.45×1.4-12.5×1.0＝58.13kN/m2（方向向上，用于地面二）；则方案二荷载设计值为：55.45×1.4-42.5×1.0＝35.13kN/m2（方向向上，用于地面一），55.45×1.4-22.5×1.0＝55.13kN/m2（方向向上，用于地面二）。

2.1.4 6＃楼主体结构抗浮方案最终决定

经过上述计算对比，方案二比方案一的抗水板板面低0.5m，考虑在上面多填充荷载以抵抗部分水浮力来减小抗水板的配筋。但经过计算，抗水板的荷载设计值相差不大，所以得出结论：降低抗水板板面标高，在其上填充荷载以抵抗水浮力的效果是不明显的。所以采用方案一，使抗水板尽量浅埋，且能减少土方的挖方量。

至于抗水板的配筋计算，则可以通过上述的荷载设计值查结构静力计算手册来确定梁板的内力和配筋，也可以用结构设计软件（例如PMCAD）来建一层模型来计算梁板配筋。

2.2 地下车库抗浮方案

对于地下车库，由于只有一层，建筑总重较小，有可能不足以抵抗水浮力，所以需要整体抗浮计算和局部抗浮计算。地下车库基础采用独立基础，基础埋深取1.5m，基底标高为-4.500，抗水板250mm厚，板底与基底想平，上面碎石砂回填至设计地面-3.000回填厚度1.25m。

2.2.1 地下车库局部抗浮设计

场地设计水位为-1.855，则抗水板所受浮力为（4.5－1.855）×10＝26.45kN/m2（方向向上）；抗水板的抗浮荷载为0.25×25＋1.25×20＝6.25＋25＝31.25kN/m2（方向向下）；荷载设计值为26.45×1.4－31.25×1.0＝5.78kN/m2（方向向上）。由于抗水板荷载较小，经过计算配筋均为构造配筋（此处计算省略）。

2.2.2 地下车库整体抗浮设计

该工程地下车库建筑平面布置均匀，所以结构荷载均匀。因此只需要地下车库平均每平方米总重力不小于水浮力即可满足整体抗浮要求。粗略计算如下：地下室顶板180mm（重0.18×25＝4.5kN/m2），上面覆土600mm（重0.6×13＝7.8kN/m2），抗水板250mm厚（重0.25×25＝6.25kN/m2），抗水板上覆1.25m厚的碎石砂（重1.25×20＝25kN/m2），则总的抗浮荷载为4.5＋7.8＋6.25＋25＝43.55kN/m2（方向向下）。场地抗浮水位为-0.705，则抗水板所受浮力为（4.5－0.705）×10＝37.95kN/m2（方向向上）。

水浮力37.95kN/m2小于抗浮荷载43.55kN/m2，所以地下车库整体抗浮满足要求。

2.2.3 地下车库整体抗浮设计扩展

当抗水板整体抗浮不满足要求时，常规做法有压重和抗拔两种。压重就是在抗水板板面或地下室顶板覆土压重以抵抗水浮力；抗拔就是在基础设计抗拔桩或者锚杆来抵抗水浮力。抗拔桩宜直接设计在柱下，枯水期地下水水位较低时作为框架柱的基础，此时桩身受压；丰水期地下水水位较高时作为抵抗水浮力的抗拔桩，此时桩身受拉。锚杆一般和独立基础相结合来设计，其仅仅起到抵抗水浮力的作用，一般设计在独立基础底部。但是，为了优化抗水板的配筋设计，可以将锚杆设计在抗水板上，大概在板跨1/3和2/3处，以减小抗水板的配筋。

3 结语

3.1 结构整体抗浮需要用抗浮水位，局部抗浮即抗水板的配筋计算需要用设计水位。

3.2 结构整体抗浮需要用荷载效应的标准组合，即采用荷载标准值；抗浮荷载为不考虑活荷载，对结构有利。分项系数取γG=1.0，即抗浮荷载采用恒载标准值；安全系数取K＝1.0。局部抗浮即抗水板的配筋计算需要用荷载效应的基本组合，水浮力按活荷载考虑，分项系数取γQ=1.4。

3.3 降低抗水板板面标高，在其上填充荷载以抵抗水浮力的做法，由于荷载分享系数的不同，其效果是不明显的。

3.4 在设计完成后，需要说明施工到第几层后方可以停止降水。该计算与整体抗浮一样，即已施工的结构重量大于水浮力后就可以停止降水，以减少因降水而产生的造价。

综上所述，建筑结构抗浮设计分为整体抗浮和局部抗浮，当工程师在进行设计时，需要按照工程的特点，选择合理的计算条件，来充分考虑地下水对建筑的影响。

参考文献

[1]甄庆华，利用计算软件进行建筑物抗浮设计的应用分析[J]广东土木与建筑，2011.04