地下室基础设计中抗浮锚杆的计算.pdf

与 建 材装 饰2014 年 6 月 地下室基础设计中抗浮锚杆的计算 刘佩熔 （安徽省城建设计研究院安徽省 合肥市230051） 摘要： 随着经济的发展， 城市的建设日益发达， 高层建筑物的地下室及地下建筑物不断增多， 其抗浮问题也越来越突 出。抗浮锚杆以其布置灵活、 施工便捷、 造价低廉等优点， 越来越多地应用于建筑物地下室的抗浮处理， 以此抵消地下水浮 力， 保证地下室结构的稳定和安全。本文应用 SAFE、 MIDAS 软件建立了某项目地下室底板锚杆抗浮计算模型， 并进行了 计算结果比较分析， 结果表明， 两种软件的计算结果比较接近， 该计算方法能较为准确地模拟锚杆和底板受力变形情况， 为设计提供了可靠依据。 关键词： 地下室； 抗浮锚杆； 计算 中图分类号： TU93文献标识码： B 文章编号： 1673-0038 （2014） 24-0031-03 引 言 目前， 工程上通常采用的抗浮措施有压载抗浮、 降排截水抗 浮、 抗浮桩和抗浮锚杆等。降排截水抗浮措施后期运行维护成本 高， 可靠性差， 长期降水将对该区域地下水环境造成很大影响， 甚至影响周边建筑物的安全，且该工程地下室兼具人防功能 #， 暂时可能无法满足供电保障， 因此不宜采用； 压载抗浮措施需通 过增加钢筋混凝土用量来增加配重， 相应地需增加基础承载力 # 造价较高 # 不宜采用。因此， 该广场地下室的抗浮拟采用柱下抗 浮桩或锚杆解决。 1 基本概况 在目前的地下室采用锚杆抗浮设计中， 通常是利用上部结构 自重和锚杆共同抗浮， 其一般计算方法为：（总的水浮力-结构自 重-桩的抗拔力） /单根锚杆承载力=所需锚杆的根数。具体做法 是： 将锚杆均匀分布在底板下， 锚杆间距用底部面积除所需锚杆 根数确定。 以上计算方法及具体做法， 有如下问题： （1） 传力途径不清晰。 水浮力是均匀作用在底板上， 而结构抗 浮力作用 （除底板自重外） 都具有不均匀性， 并不是在整个地下 室底板区域均匀分布的， 可能是集中在一个点 （即柱、 桩或锚杆） 或一条线上 （即墙、 梁） 。 （2） 锚杆均匀分布布置亦存在问题。锚杆受力的大小是与变 形相关的， 会出现底板中心区域变形大的地方锚杆受力太大， 甚 至超过承载力特征值形成结构安全隐患，而靠近柱墙区域变形 小的地方锚杆受力很小不能充分利用， 形成浪费的情况。 因此针对地下室底板抗浮锚杆这种复杂受力情况， 建立有限 元模型模拟计算就显得尤为重要。SAFE 是国际上通用的针对基 础底板的有限元分析软件， MIDAS 是一款结构通用有限元分析 和设计软件。 2 计算基本设定和假定 （1） 设定锚杆在弹性状态下受力 F （kN） 、 变形 X （mm） 之间的关 系等同于线性弹簧， 即公式： F=KX成立， K即为锚杆刚度 （kN/mm） 。 （2） 设定地下室外侧壁为完全固结约束。 （3） 假定桩位置点为完全固结约束。 对假定 （3） 来说， 为了简化工程计算的繁琐性， 同时根据实际 工程情况， 采取先假定后复核确认的办法， 对不满足该假定的另 做处理 （例如采用增加附加锚杆或加大底板刚度及配筋的办法） 使之满足的办法。 3 锚杆刚度 K 值取值方法 3.1 K 值理论计算公式 锚杆弹性受力与变形的关系公式： X=FL/ （EA） 即： K=F/X=EA/L 式中： X 为锚杆伸长值 （mm） ； F 为锚杆拉力 （kN） ； L 为锚杆 自由段长度 （mm） ； E 为锚杆弹性模量 （kN/mm2） ； A 为锚杆截面积 （mm2） ； K 为余静汗刚度 （kN/mm） 。 3.2 K 值试验结果 K=锚杆锚头轴向极限抗拔力检测值/总位移。 3.3 利用已有工程的经验值 已有工程的经验值 K=100耀200kN/mm。 4 工程实例 4.1 工程概况 安徽省某大型商业公建工程地下室底板厚度： 800mm；底板 底标高： 76.00m； 抗浮水位标高： 90.50耀93.0m； 底板自重标准值： 25伊0.8=20kN/m2； 垫层自重标准值： 20伊0.2=4kN/m2； 水浮力标准值一 底板及垫层自重标准值： 121146kN/m， ；抗拔桩设计抗拔力标准值 取为 2800kN； 锚杆设计抗拔力标准值取为 450kN。本工程的锚杆刚 度 K取值为 150kN/mm。底板桩、 锚杆布置图 （局部） 见图 1。 4.2 建立计算模型 由于桩直径较大， 每个桩位置点按正六边形的角点及中心点 图 1 底板桩、 锚杆布置图 （局部） 规划与设计 31 与 建 材装 饰2014 年 6 月 共 7 个点来模拟；每根锚杆按 1 个点模拟。按照基本设定和假 定， 确定计算模型中， 桩位置和地下室外侧壁位置完全固结， 锚 杆位置按刚度 K 为 150kN/mm 的点弹簧模拟。 底板 SAFE 计算模 型见图 2,底板 MIDAS 模型见图 3。 4.3 SAFE 与 MIDAS 模型处理的区别 （1） SAFE 中用 “点弹簧” 来模拟锚杆， MIDAS 中用 “节点弹性 支承” 来模拟锚杆， 弹簧刚度取相同值。 （2） SAFE 建模时可以直接由 AutoCAD 中导人点， MIDAS 建 模时不能直接导人孤立的点，需要增加辅助线才能导人所需要 的点。 （3） MIDAS 中直接给划分完单元的外侧壁节点施加固定约束 （根据划分单元的大小， 约每米一个固定约束） ， SAFE 中用 “高刚 度的线弹簧” 来模拟外侧壁固定约束， 本工程用于外侧壁的线弹 簧刚度为 150000kN/mm， 也可参照 MIDAS 做法， 在地下室外侧 壁上， 每米增加一个节点， 施加固定约束。 （4） SAFE 可以设定板带用于板配筋计算与设计， MIDAS 按照 三角形或四边形划分单元计算， 可以人为控制划分网格的精度， 不可以设定板带。 4.4 MIDAS 与 SAFE 模型处理的共同点 （1） 均可按 DXF 文件多次分批导人， 均可以设定结构组等。 （2） 通过默认的材料重量密度自动考虑混凝土构件自重； 材 料的各种参数、 重量密度等都是可根据需要人为修改。 4.5 后处理查看结果 计算完成后， 可以输出底板变形 （位移） 结果， 水浮力作用下 桩位反力， 水浮力作用下锚杆反力， 底板计算弯矩， 底板计算配 筋等用于底板结构设计。 5 计算结果比较分析 5.1 变形 （位移） 结果比较 通过 SAFE 计算输出的底板位移等值线与 MIDAS 计算输出 的底板位移等值线比较发现， 整体趋势较为一致， 最大位移均约 为 3.0mm。 5.2 水浮力作用下桩位反力比较 （以 ZH1 为例） 水浮力作用下桩位反力 SAFE、 MIDAS 计算值见表 1。 通过表 1 的分析可知， ZH1 桩位反力 SAFE 计算值： F=1329+ 1393+1426+392+1579+1494+1560=9173kN；由表 1 可知， ZH1 桩 位反力 MIDAS 计算值： F=1193+143+l464+361+l646+1536+1620= 9l63kN。 比较分析结果表明： 水浮力作用下各桩位反力计算总值结果 比较接近。 5.3 水浮力作用下锚杆反力比较 （以锚杆 1耀34 为例） 水浮力作用下锚杆反力 SAFE、 MIDAS 计算值见表 2。 由表 2 可知： 水浮力作用下锚杆反力计算结果几乎相等。 5.4 水浮力作用下反力计算总值 （含地下室外侧壁） 复核 （1） 理论值： 136 （kN/m2） 伊3780 （m2） +141 （kN/m2） 伊4860 （m2 ） = 11993400kN （方向向上） 。 （2） SAFE计算后， 桩、 锚杆及外侧壁的反力值总和： 1199227kN。 （3） SAFA 值/理论值=1199227/1199340伊l00%=99.99%。 5.5 水浮力作用下反力计算总值 （不含地下室外侧壁） 比较 （1） SAFE 计算值： 1027538kN。 （2） MIDAS 计算值： 1005714kN。 （3） SAFE 值/MIDAS 值=1027538/1005714伊100%=102.173%； 其中桩反力： SAFE 值/MIDAS 值二 100.67%； 锚杆反力： SAFE 值/ MIDAS 值=106.43%。 在锚杆反力上， SAFE 计算值偏大， 经过比较后发现： 误差主 要产生在外侧壁及附近的桩、锚杆反力上，分析计算模型后认 为， MIDAS 约每米加一个固定约束的模拟外侧壁作用更加接近 实际工程情况，更加准确， SAFE 高刚度线弹簧模拟外侧壁固定 约束时， 精度不够准确， 尤其是外侧壁附近的个别锚杆 SA 兀计 算值会偏大约 22%左右。改进的办法是： SAFE 建模时，参照 MIDAS 在外侧壁位置约每米增加一个节点， 施加点固定约束， 代 替高刚度线弹簧的模拟， 能得到和 MIDAS 相近似的结果。 （4） 在点弹簧或节点弹性支承模拟锚杆上， 计算结果较为一 致。在本工程水浮力 100.6kN/m2， 地下总面积约为 30000m2， 总浮 力约为 3000000kN， 按照普通钢筋配置， 因裂缝控制要求， 经初步 计算钢筋应力发挥仅约 30%， 故共需钢筋约为 2400t， 造价高达 960 万元。 以上分析表明： 采取适当手段， 使得钢筋应力充分发挥 是本工程必须面对的课题， 对控制裂缝和降低钢筋用量而言， 采 用预应力将是较好的选择。 图 2 底板 SAFE 计算 模型 （局部） 图 3 底板 MIDAS 计算 模型 （局部） ZH1 （kN） 点 1 点 2 点 3 点 4 点 5 点 6 点 7 SAFE132913931426392157914941560 MIDAS119313431464361164615361620 表 1 水浮力作用下 ZHI 桩位各点反力 编号SAFE （kN） MIDAS （kN）编号SAFE （kN） MIDAS （kN） 122722618364367 222722619376376 323022820372371 423623521379380 522922722360359 628322423362358 729122424409362 828328525402414 929129926411407 1029028327418416 1128529028414422 1230128929420416 1328428530407422 1429030031412418 1529128432409424 1636136333399410 1736136334389416 表 2 水浮力作用下锚杆反力 规划与设计 32 与 建 材装 饰2014 年 6 月 6 结束语 通过该项目采用 SAFE、 MIDAS 进行地下室底板抗浮锚杆计 算及结果比较分析可知， SAFE 与 MIDAS 均可以用于地下室底 板锚杆抗浮计算， 两种软件的计算结果比较接近， 该方法能有效 地模拟锚杆和底板受力变形位移情况，可用于地下室抗浮锚杆 设计。 参考文献 1马竹青.地下室底板抗浮锚杆结构设计J.铁道标准设计， 2010 （06） ： 124125. 2魏 坤， 戴西行， 杨 勇.地下室抗浮锚杆布置方式设计探讨J.山西建筑， 2011 （08） ： 234235. 3刘汉进， 张同波， 于德湖.某地下车库局部整体上浮位形变化与损坏特 征分析J.青岛理工大学学报， 2010 （05） ： 106107. 收稿日期： 2014-5-28 作者简介： 刘佩熔 （1981-） ， 男， 工程师， 本科， 2004 年毕业于安徽 建筑工业学院， 土木工程专业， 主要从事结构设计及管理工作。 煤气及热力管道工程抗震构造措施 赵秋林 1 张文英 2 （1.新乡新奥燃气有限公司河南省 新乡市4530002.河南省 新乡市453000） 摘要： 随着我国经济的飞速发展， 社会主义建设也取得了很大的成就， 国内煤气和热力工程的规模逐渐增大。 煤气及 热力在人民生产和生活中扮演着重要的角色， 煤气和热力工程如果被强烈地震破坏， 人民的正常生产生活将会无法进行， 后果不堪设想。本文认真分析了地震的危害和煤气及热力管道工程抗震设计的目的， 提出了煤气及热力管道工程抗震构 造措施和相关注意事项， 以供参考。 关键词： 煤气； 热力； 抗震构造； 措施 中图分类号： TU996.7文献标识码： B 文章编号： 1673-0038 （2014） 24-0033-02 1 地震的危害 在地球上所有自然灾害中地震是给人类社会造成危害最严 重的一种地质灾害。破坏性严重的地震在到来之前一般情况下 没有什么预兆， 大地强烈震撼、 大地开裂、 房屋倒塌， 严重的可能 摧毁整座城市， 在地震过后， 火灾、 瘟疫等严重次生灾害往往会 伴随发生， 给人类带来了重大的损失和灾难。据不完全统计， 全 球每年发生的地震多达 500 万次，虽然大多数地震由于在海洋 或地壳深处发生或者是因为地震级别过小的缘故而不被人们所 察觉， 但每年仍存许多地震给当地居民民造成巨大的灾害， 对人 民的生命财产安全有着巨大的威胁， 单单整个二十世纪， 全球死 于地震的人数就高达就有 120 万人，几乎任何一个地方曾经都 遭受到过地震的灾害。地震严重影响了城市发展和经济建设， 也 对居民的生产生活造成严重威胁，在一定程度上形成的心理恐 慌， 对社会稳定产生不利影响。在城市重要的居住用地和公共用 地规划区域那里， 分布了较为稠密的居民区和大量的公共设施， 如果地震灾害一旦发生，不仅对目前城市居民的生命财产安全 造成极大威胁， 也严重约束了城市发展经济的发展。 2 煤气及热力管道工程抗震设计的目的 针对地震的类型、 活动规律等进行的专项设计， 煤气及热力 管道工程各种施工方法要配合使用， 综合的进行整治， 确保在设 计年限内不形成新的灾害。淤煤气及热力管道工程应尽可能考 虑有利于地震自身稳定， 尽量避免扰动岩土体， 导致其内部应力 变化。于煤气及热力管道工程应选用安全可靠、 经济合理、 施工 简便的成熟技术， 便于维