底板设计中考虑锚杆与底板共同作用的优化设计

1、图1抗浮锚杆布置方式 訳桩周集中布桩 訴均匀布桩广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING 2013年4月第4期APR 2013No.41地下室底板抗浮锚杆设计现状随着我国城市化进程的不断加快,越来越多的城市结合城市建设,利用高层建筑地下室、广场、绿地等建设各类型的地下工程,抗浮设计在越来越多的工程中体现其必要性,特别在兴建于地下水埋藏较浅的地区,绝大部分地下工程需要进行抗浮设计。多层地下室不断增多,当地下水位高,结构自重不能抵抗地下室的浮力时,地下建筑尤其是底板的抗浮问题随之而来。地下室一般都是采用独基、筏基或桩基础等承受竖向荷载,纯地下室

2、以及只有两三层裙房的地下室的自重往往不能平衡地下水浮力,虽然桩基础本身有一定的抗拔力但往往不能满足要求,这就需要另外采取措施,其中之一是增设抗浮锚杆。其原理是在底板与其下坚硬土层之间设置拉杆,对于底板下有坚硬土层且埋深不大时,抗浮锚杆是一种既经济又简便的方法,因造价低廉,施工方便,受力合理等优点而被广泛应用。抗浮锚杆分为非预应力抗浮锚杆和预应力抗浮锚杆,前者具有施工简单,施工周期短的特点,在抗浮设计中常被用作永久性抗浮措施。非预应力抗浮锚杆分为锚固段和自由段,其作用机理为锚杆与底板整体浇筑后共同作用,底板变形产生位移时,锚杆自由段随之拉伸产生抗拔力并减少底板变形。不少设计人员在设计计算中只是考

3、虑锚杆对整体的抗浮作用,忽略了锚杆与地下室底板连接后对底板产生的作用,这种方法的结果虽然没有原则性错误,但未能充分发挥各结构构件作用,会造成浪费。2现行锚杆布置方式的特点和弊端目前抗浮设计中常用的锚杆布置方式有两种,一是集中布置在工程桩周边(以下称为“集中点式布置”,二是均匀布置在底板下(以下称“均匀布置”,如图1所示。Optimization of the Foundation Slab considering the Combined Actionwith Floating Resistance BoltChen Chunhui(Jianke Architectural Design In

4、stitute of Guangdong ProvinceGuangzhou 510500,China Abstract :The article combines with engineering living examples ,changes the traditional way of bolt's arrangement.The bolt is central-ized layout to the span of slab.The author considers the combined action of floating resistance bolt and the

5、basement floor slab ,makes the design of the bolt more safety and reasonable,reduces the reinforcement in the slab and decreases the project cost.Keywords :bolt arrangement ;centralize of point type layout ;planar uniform layout ;centralized layout to the span of slab ;optimization底板设计中考虑锚杆与底板共同作用的优

6、化设计陈春晖(广东省建科建筑设计院广州510500摘要:本文结合工程实例,改变传统的锚杆的均匀布置方式,将锚杆集中布置在板的跨中,充分考虑与地下室底板的共同作用,使锚杆设计更为安全合理,并降低底板配筋,减少工程造价。关键词:锚杆布置;集中点式布置;面状均匀布置;集中板跨中布置;优化设计图3锚杆抗拔力(kN 172.20286.27286.84170.70286.27372.37372.37286.84286.84372.37372.37286.27170.70286.84286.27172.20356.26354.66356.26380.10379.53354.66354.66379.5338

7、0.10356.26354.66356.26訳均匀布桩方式訴集中板跨中布置图2锚杆位移(mm 1.828 3.039 3.045 1.8123.039 3.953 3.953 3.0453.045 3.953 3.953 3.0391.8123.0453.0393.4243.7823.7653.7824.0354.0293.7653.7654.0294.0353.7823.7653.782訳均匀布桩方式訴集中板跨中布置陈春晖:底板设计中考虑锚杆与底板共同作用的优化设计APR 2013No.42013年4月第4期集中点式布置是将锚杆布置在桩周边,变形基本一致,抗拔力也基本均衡,如果水浮力是主要控

8、制荷载,板跨度较大,配筋也很大,锚杆未做出相应的贡献,工程造价高。面状均匀布桩当不考虑抗浮锚杆对底板的作用时,板跨度按照大跨度计算,结果与集中点式布置方式一样,工程造价高。如果考虑抗浮锚杆与底板的共同作用,可以有效地减少底板钢筋,节约造价。但在以往的设计中,通常计算时锚杆都是按照需要的总抗拔力每根锚杆的抗拔力得到所需要的根数,也就是说每根桩承受的抗拔力是均衡的,与实际受力情况不符。实际上每根桩布置的位置不同,随底板共同产生的变形以及由此产生的抗拔力也不相同。如果锚杆布置没有富余,则有可能是跨中的锚杆已经超过了最大抗拔力,而桩边的锚杆还只产生较小的抗拔力,跨中的锚杆遭到破坏,进而影响旁边的锚杆,

9、从而可能导致整个工程的抗浮设计失败。3抗浮锚杆与地下室底板的共同作用分析抗浮锚杆与地下室底板在受力后位移协调,即地下室底板在地下水浮力和自重作用下,产生一定的向上挠度,锚杆浇筑在底板内,两者连为一个整体,锚杆也必定产生相同的向上伸长量。地下室底板的变形使得抗浮锚杆产生变形,进而产生拉力;而抗浮锚杆对地下室底板的拉力又反过来约束了底板的变形,引起地下室底板的变形和次应力的变化。地下室底板和抗浮锚杆之间存在共同作用,在设计中应该考虑。锚杆在与底板共同变形下所提供的抗拔力与底板结构的刚度及锚杆本身的刚度相对值密切相关。当水浮力不变,锚杆截面及锚固段均确定时,锚杆提供的抗拔力并不唯一,锚杆长度增长,底

10、板结构刚度加大,都会使锚杆分担的浮力减小。因非预应力锚杆产生抗拔力前提是底板产生变形并承受部分浮力,故锚杆无法完全作为固定支座受力,只能当成一个特定刚度的弹簧支座。弹簧的刚度系数应取锚杆抗拔试验中Q-s 曲线的直线段的斜率,本工程尚未进行锚杆抗拔试验,故先根据材料力学中锚杆的刚度计算公式进行估算:K =N l =EA l式中:K 为锚杆的刚度;N 为锚杆的轴力;l 为锚杆的伸长量;E 为混凝土的弹性模量;A 为锚杆的横截面面积;l 为锚杆长度。由此可知,锚杆的刚度由混凝土的弹性模量、锚杆截面面积和锚杆自由段长度决定。可通过提高混凝土的强度等级,从而提高弹性模量,增大锚杆的截面面积或减少锚杆自由

11、段长度来增大锚杆的刚度。4锚杆布置方式的设计应用中交集团南方总部基地(二期项目,设有3层地下室,底板面标高-15.0m ,抗浮水位取室外地坪-0.65m ,底板厚900mm ,水浮力与自重抵消后为130kN ,如不考虑“抗拔桩-抗拔锚杆-底板”共同作用,则底板配筋会很大。为了解决群锚效率降低的问题,使每根锚杆都能充分发挥锚固作用,又能减少底板配筋,降低工程造价,在设计中我们采用“抗拔桩-抗拔锚杆-底板”共同作用进行受力分析,根据受力情况布桩,将锚杆相对集中布置在底板跨中。将跨中的群锚当成一个集中的支座,可以有效地减小板跨度,从而减少底板钢筋量,且锚杆的位移相对较接近,产生的拉力也相对较均匀,都

12、能发挥其抗拔承载力。用Midas Gen 试算了一块8.4m ×8.4m 的板,锚杆采用均匀布置在底板下和集中布置在板跨中两种方式,底板厚900mm ,锚杆为f 200,单根抗拔力400kN ,混凝土强度等级C30,钢筋HRB400,板底静水反力130kN m 2(水浮力-自重。计算结果如图23。(下转第7页络内力;补充采用两种程序的弹性时程分析,与反应谱分析结果进行对比,指导结构设计。4.2通过调整核心筒剪力墙开洞位置及尺寸,减小平面质心与刚心偏离幅度,且适当增大外框梁截面尺寸,从概念设计角度减小平面扭转效应。本工程最大扭转位移比为1.43,出现在首层。这是由于建筑平面布置的要求,

13、下面3层为平面不规则的大底盘裙楼所致。裙楼以上的塔楼部分通过合理的结构布置,两个方向的最大扭转位移比分别仅为1.27和1.29,扭转效应得到了较好的控制。4.3确保重要受力构件强剪弱弯:构件斜截面承载能力安全度1.2倍正截面极限承载力安全度1,4,以保证构件的延性变形能力,达到“中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。4.4重点分析与斜柱相连的框架梁内力,设计时通过提高配筋率和增加抗扭筋的设置,提高此类框架梁的抗剪、抗扭能力,增加延性;为保证其有足够的承载力储备以策安全,加强斜柱层及其相邻上下层楼板的厚度及配筋,以有效传递斜柱产生的水平分力,与框架梁协同工作。5结语斜柱结构体系可以实现建筑立面沿高

14、度收进或突出的建筑造型要求,较梁柱转换体系有以下优点:斜柱传力直接明确,梁柱转换受力更复杂,更易形成薄弱层;梁柱转换对建筑净高有较大影响。对于带斜柱的高层结构,采用合理的斜柱布置,并仔细分析整体结构响应及斜柱框架的受力特点,是此类高层建筑结构“安全、经济”设计的关键。本工程采用两种三维有限元程序进行整体结构响应的对比分析,并补充了多遇地震作用下弹性时程分析及主要部分楼板应力有限元分析。计算分析结果表明,各项指标良好,满足相关规范的要求,结构整体变形曲线基本平滑,并有针对性地对薄弱部位采取相应的加强措施,确保结构整体和各构件的抗震性能均能达到设计的预期目标。本文的一些分析方法、设计思路希望能为类

15、似结构的设计提供参考。参考文献1JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程S2GB50010-2010混凝土结构设计规范S3GB50009-2012建筑结构荷载规范S4GB50011-2010建筑抗震设计规范S5广州地铁华贵路小区工程场地地震安全性评价报告R.广东省地震工程勘测中心,2007广东土木与建筑APR2013No.4 2013年4月第4期4444444444444444444444444444444444444444通过软件计算可知,均匀布桩方式所需锚杆数量为16根,锚杆变形差异很大,中间锚杆的变形量甚至为边锚杆的2倍多,每根锚杆的抗拔力也很不均匀,中间的锚杆已达到373kN,边上的锚杆还仅为170kN。而集中板跨中布置方式所需锚杆数量为12根,锚杆变形相对较接近,每根锚杆都可以充分发挥单桩抗拔力,因此从受力和变形两方面来说,集中布置锚杆比均匀布置锚杆的方案更加合理。通过以上的计算分析,我们在本项目地下室底板及整体抗浮设计中采用板跨集中设置抗拔锚杆的做法,使得该项目在保证结构安全及降低工程造价方面取得良好的效果。5结语