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3-基礎工程抗浮設計

發布時間:2016-07-13

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基礎工程抗浮設計

1 基礎工程抗浮設計概述

1規范的規定

《地基規范》543提出:建筑物基礎存在浮力作用時應進行抗浮穩定性驗算,并應符合下列規定:

1 對于簡單的浮力作用情況,基礎抗浮穩定性應符合下式要求:

Gk/Nw,k≥Kw (543)

式中:Gk——建筑物自重及壓重之和(kN);

Nw,k——浮力作用值(kN);

Kw——抗浮穩定安全系數,一般情況下可取1.05。

2 抗浮穩定性不滿足設計要求時,可采用增加壓重或設置抗浮構件等措施。在整體滿足抗浮穩定性要求而局部不滿足時,也可采用增加結構剛度的措施。

2抗浮設計內容

對于抗浮設防水位超過基礎底部的工程,設計師一般布置筏板或者防水板并布置抗拔樁作為抗浮構件,并進行抗浮設計驗算。

抗浮設計驗算內容包括:

1)整體抗浮驗算

依據《地基規范》543條,要求建筑物自重及壓重之和大于浮力1.05倍。

軟件在【基礎計算及結果輸出】【文本結果】【抗浮穩定性驗算】中輸出筏板基礎整體抗浮驗算驗算結果。防水板基礎目前不能進行整體抗浮驗算,可以改為筏板來完成驗算。

2局部抗浮驗算

整體抗浮滿足情況下,基礎局部由于水浮力超過上部結構荷載導致上浮。局部上浮變形會導致筏板/防水板受彎及抗拔樁受拉(為限制基礎上浮可以增設抗拔樁),所以局部抗浮驗算需要驗算兩部分內容:

1筏板/防水板抗彎及配筋驗算

局部抗浮不足,會引起筏板上抬變形產生彎矩。如果上抬位移不是很大,可以通過加強筏板配筋滿足安全要求。而如果上抬位移量過大,會因筏板彎矩過大而導致配筋驗算顯示超筋,此時可以采取加厚筏板厚度、增加壓重、增設抗拔樁等措施。

2樁抗拔設計及驗算

增設抗拔樁可限制筏板的上浮位移量,但是樁會承受拉力,所以需要驗算樁的抗拔力是否超過樁承載能力確保樁的抗拔安全性。

另外,抗拔樁布置在不同區域的抗浮效果是有明顯差異的,比如布置在非明顯上抬區,其抗拔作用將不能有效發揮造成浪費,所以抗拔驗算的另一項內容是根據樁抗拉承載力驗算結果剔除未起抗拔作用的抗拔樁,在安全前提下確保經濟有效。

3當前抗浮設計流行方法及存在問題
1當前抗浮設計流行方法

抗浮設計本質是樁抗拔和板彎曲共同作用,但是當前抗浮設計流行采用抗拔樁和筏板/防水板分離設計的方法。

抗拔樁設計

抗拔樁布置基本采用人工方法,人工粗略測算樁數量及布置,常見的做法有

1錨桿均勻布置

(總的水浮力設計值-底板及上部結構自重標準值)/單根錨桿設計值=所需錨桿根數。具體做法:將錨桿均勻分布在底板下(連柱底或砼墻下),錨桿間距用底部面積除所需錨桿根數確定。

該種設計方法最粗放,適用于上部結構荷載比較均勻情況。另外錨桿數目相同情況下,均勻布置安全系數最低。

2分區域均勻布置

有些設計者考慮到上部荷載的不均勻,錨桿布置按區域荷載差值求解錨桿數量,然后分區域均勻布置錨桿。

這比第一種做法有所改進,設計者以區域為分析對象,區域的水浮力設計值-區域底板及上部結構自重標準值)/單根錨桿設計值=所需錨桿根數。區域的劃分粗細不同,具體有幾種處理方法:

1)以裙房/主樓為區域

經常是裙房抗浮不足而均勻布置錨桿。

2)以柱墻相關范圍為區域

計算時按倒樓蓋模型計算每個柱墻位置在水浮力作用下的支座反力作為相關范圍的水浮力大小,減去柱墻的上部荷載,估算錨桿數量,錨桿多布置在柱墻附近。

3)房間為對象,把房間分墻柱下區、跨中區。

柱墻下區域范圍按上部荷載與水浮力自平衡求解。跨中區認為是純水浮力作用區,按區域內水浮力和自重荷載差求解錨桿數量并均勻布置在跨中區。

筏板/防水板

使用樓板計算模塊,采用柱墻位置為豎向不動支座假定的倒樓蓋計算模型計算板內力及配筋。

2當前抗浮設計存在的問題

基礎抗浮考慮上部結構、基礎、樁土的共同作用進行整體有限元內力分析和設計。而當前抗浮設計這種抗拔樁與基礎分離、分別采用簡化方法進行設計的做法,只能適應上部荷載均勻的簡單情況,存在較多問題。

抗拔樁設計

前述的錨桿均勻布置、分區域均勻布置都有一定的適用性,是抗拔樁的初步設計階段的基本方法。

但是其缺點是此類方法只能用于初步設計階段,因為只能進行樁數量估算和布置,不能精確分析上部結構、基礎剛度及荷載分布對樁抗拔力的影響。無可靠的樁抗拔承載力驗算,不能確保樁的抗拔安全性,也無法提供進一步的抗拔優化布置和設計功能。

筏板/防水板

抗浮組合荷載作用下,筏板/防水板的柱墻下是存在豎向位移的,豎向位移值與上部結構剛度、基礎剛度、樁土剛度及荷載分布都是有直接關系的,而且往往各柱墻下的豎向位移是不一致的。

傳統的柱墻位置為豎向不動支座假定的倒樓蓋計算模型計算板內力,將忽略存在的支座位移差,其效果是只考慮局部彎曲作用,整體彎曲明顯情況下會偏于不安全。

特別是如果抗拔樁設計不當甚至未考慮局部抗浮不足沒有設置抗拔樁情況下,倒樓蓋計算模型會嚴重失真導致嚴重的工程事故。

2 抗浮設計方法從線性分析到非線性分析

1 基礎工程的非線性特點

基礎工程的非線性主要源于邊界條件的非線性:

1)土只能承擔壓力,不能承擔拉力;

2)普通樁、抗拔錨桿等拉壓剛度不同,差異很大。

以受水浮力作用加抗拔錨桿的平筏基礎為例,見下圖:

一般情況下,如果沒有水浮力,整個筏板下的地基處于受壓狀態;如果水浮力比較小,地基壓力會減少,但是仍然會處于整體受壓狀態。這個時候土起到支撐作用,抗拔錨桿不起作用,見下圖:

隨著水浮力增大,部分區域的筏板會出現上拱效應,上拱區域的土將失去支撐作用,該區域的抗拔錨桿將起拉桿作用,見下圖:

2 基礎工程的計算分析技術

1單模型線性分析方法

不考慮變形后結構是處于受拉或者受壓狀態,不區分抗拉和抗壓剛度,用線性彈簧來模擬樁土對基礎構件的支撐作用。

流行的基礎設計軟件多采用該方法進行基礎工程計算分析,該模型適用于計算整體基礎處于受壓狀態的工況組合,比如恒活工況組合。存在的問題是不能合理計算高水工況,不能計算抗拔錨桿構件等。

2)多模型的線性分析方法

為了解決抗浮設計問題,過去多采用多模型技術計算抗浮組合下的筏板/防水板內力。具體來說:

?????? 對于高水工況,假定結構整體處于受拉狀態,樁(包括錨桿)采用抗拉剛度進行計算,忽略土的剛度,采用了倒樓蓋的計算模型;

?????? 對于其他工況,假定結構整體處于受壓狀態,樁(包括錨桿)采用抗壓剛度進行計算,考慮土的剛度;

?????? 同時在含高水組合工況的內力疊加時,不是直接疊加,是采用高水工況部分與其他工況部分的包絡取大。

此種計算方法目前還是主流設計方法,比如設計師自行采用樓板模塊自己構建倒樓蓋計算模型進行防水板設計、采用YJK基礎的防水板構件進行設計或YJK基礎的筏板采用線性分析方法進行抗浮設計時都是采用類似的處理方法。

如前所述,該方法將忽略實際存在的支座位移差,其效果是只考慮局部彎曲作用,整體彎曲明顯情況(支座位移差大)下會偏于不安全。

3)拉壓剛度不同彈簧的非線性分析方法

更合理的計算模型應該是能夠考慮上部基礎樁土共同作用、能考慮支座位移差的分析模型,即

?????? 不能按單工況計算,組合工況疊加或者包絡設計,而是按組合工況(比如1.2+1.4-1.2高?。┳饔眠M行實際受力狀態計算;

?????? 考慮結構的實際變形,對于處于受壓狀態的部分,樁(包括錨桿)采用抗壓剛度進行計算,考慮土的剛度,而對于處于受狀態的部分,樁(包括錨桿)采用抗拉剛度進行計算,忽略土的剛度;

?????? 分析方法上,要采用迭代的非線性計算方法。

3 非線性分析YJK基礎軟件中的實現和應用

1 基礎工程中進行非線性分析的必要性

在基礎工程中:1)土只能承擔壓力,不能承擔拉力;2)普通樁、抗拔錨桿等拉壓剛度不同,差異很大。所以如果土或者樁出現了部分受拉的情況,就應該考慮土樁抗拉抗壓剛度不同的非線性迭代計算方法進行分析和設計。

非線性本質要求不能使用疊加原理,所以不能按單工況分別計算,然后荷載組合通過效應疊加的方法。

應該在荷載組合后,考慮結構的實際變形,對于處于受壓的區域,樁(包括錨桿)采用抗壓剛度進行計算,考慮土的剛度;而對于處于受拉的區域,樁(包括錨桿)采用抗拉剛度進行計算,不能考慮土的剛度。所以要采用迭代的非線性計算方法。

2 需要進行非線性分析的情況及軟件實現

如果地基土或者樁出現了部分受壓部分受拉的情況(如下圖),就應該通過考慮土樁抗拉抗壓剛度不同的非線性迭代計算方法進行分析。

從實際工程角度來看,需要進行非線性分析的最常見情況包括:

1)進行人防設計的工程;

2)抗浮設防水位比較高的工程;

3)上部結構荷載特別不均勻的工程;

4)較大水平力荷載的工程;

軟件默認對含高水的組合、含人防的組合采用非線性分析方法,用戶可以自定義工況組合的分析屬性。(見【基礎建?!俊緟翟O置】或者【基礎計算及結果輸出】【計算參數】中的【水浮力,人防,荷載組合表】),見下圖:

軟件在【基礎計算及結果輸出】【文本結果】【組合工況上抬檢驗】會給出各工況組合是否需要進行非線性分析的建議。用戶可以在完成基礎計算分析后,點擊查看。

3 基礎工程中進行非線性分析的注意事項

在非線性分析中,為了準確得到分析結果,需要:

1)考慮上部結構剛度;

因為只有考慮了上部結構剛度,才能正確模擬在高水組合或者人防組合作用下的變形和柱墻對基礎的支撐作用。

2合理設置樁土剛度系數。

由于地基土的基床系數軟件默認是只抗壓不抗拉的,所以不需要指定抗拉剛度為0。

對于樁,軟件默認是按承載力設計值/允許位移(10mm)估算初始抗拔剛度。但是如果抗拔試驗得到的抗拔剛度,可以交互指定樁的剛度。

最常見的是抗拔錨桿,可以利用【樁定義修改樁剛度】功能指定抗拉剛度值,并指定抗壓剛度為0。對于普通樁,如果不考慮其抗拔作用,可以修改其抗拉剛度為0;如果考慮其抗拔作用,指定一個抗拉剛度值。

另外,非線性分析方法由于不適用疊加原理,所以不適用于:

1)基于二階段分析的帶防水板的工程,會自動按線性分析進行計算;

2)設置后澆帶的工程,抗浮設計會忽略后澆帶的影響,按無后澆帶模型進行計算。

4 防水板進行抗浮設計的特點

帶防水板基礎工程的設計要點可以參考10帶防水板基礎設計的內容。

軟件防水板基礎工程自動進行二步計算:

第一步計算將柱底、墻底作為支撐防水板的豎向不動支座(基礎本身為彈性支承),對防水板進行有限元計算和配筋計算。如果防水板內有地基梁,將地基梁作為支撐防水板的彈性支座,地基梁按照有限元交叉梁體系進行計算和配筋;

第二步計算非防水板基礎,如獨立基礎、樁承臺等,此時考慮防水板傳遞過來的荷載效應。

帶防水板基礎工程的特點,可以總結如下:

1防水板本身的計算采用倒樓蓋計算模型

第一步計算防水板的內力時采用墻下豎向不動的倒樓蓋計算模型,其計算結果只包括防水板的局部彎曲效應。其計算模型會將防水板中的其他基礎(獨基、筏板、承臺)作為防水板加厚部位,考慮地基梁、樁的剛度貢獻,見下圖:

2 其他基礎設計可考慮防水板傳來的向上的水浮力的影響

軟件設置兩個參數控制防水板對其他基礎的影響(見下圖):

1)含高水組合是否考慮防水板的影響,通過參數【底板抗浮驗算(增加抗浮組合)】控制,需要勾選。

2)其他組合是否考慮防水板的影響,通過參數【防水板所有組合都傳遞到基礎控制。

防水板計算模型中不承受上部計算荷載,防水板承受的荷載除水浮力(有時還有人防荷載)外,包括防水板自身的自重、覆土重、用戶輸入的恒活荷載。

一般認為,防水板的恒活荷載可以由防水板的墊層獨立承擔,所以軟件默認該選項不勾選,即認為只含恒活荷載的荷載組合不傳遞到非防水板基礎。

勾選此參數后,軟件不僅將含高水、含人防荷載的荷載組合傳給其他基礎,還將其他所有荷載組合都傳給其他非防水板基礎。由于勾選后考慮了只含恒活荷載的組合到其他基礎的傳遞,其他基礎的最大樁土壓反力會增加,承載力驗算結果更容易出現不滿足的情況。

是否勾選該參數取決于防水板的恒活荷載是否可以由防水板的墊層獨立承擔,有工程師根據工程實際情況判斷選擇。

3 防水板內抗拔無法進行抗拔驗算

防水板內倒樓蓋模型的計算中,墻柱作為豎向不動的固定支座導致錨桿抗拔反力計算存在非常大的誤差,所以防水板內的抗拔樁無法進行抗拔驗算。

所以抗浮錨桿的抗拔驗算只能用筏板模型模擬防水板,同時將筏板基床系數設置為0,保留獨立基礎的基床系數,計算分析選擇非線性分析方法。

5 抗浮設計的幾個關鍵環節

1荷載與荷載組合

抗浮設計的水浮力有關荷載及荷載組合參數見下圖:

1水浮力荷載

水浮力包括歷史最低水、歷史最高水兩種。軟件中通過設置水位標高、水容重參數來施加水浮力荷載,參數見下圖:

軟件中水浮力計算公式:(水頭標高 - 基礎底標高)*重力加速度(默認9.8)。

這里的標高都是相對結構正負0的(單位為米),即對應上部結構樓層組裝表的標高體系。

歷史最低水位,簡稱低水,性質為永久荷載,起抵消恒載減少樁土反力的有利作用,不是用于抗浮設計。

歷史最高水位,簡稱高水,是沿用了習慣稱謂,準確含義應該是抗浮設計水位,性質為可變荷載,要考慮其內力、抗浮的不利作用。

這里輸入的水頭標高是用于整個基礎的水頭標高,如果在基礎某些部位水頭標高值與這里不同,可在生成基礎計算數據后的板面荷載菜單下,查看水浮力荷載大小并對局部進行修改(操作同局部人防),操作界面見下圖:

2抗浮組合系數

軟件中抗浮組合系數的參數設置見下圖:

水浮力的組合系數是單獨設置的:

1)水浮力的標準組合系數

標準組合用于驗算樁土承載力,軟件參考《地基規范》543的抗浮穩定性驗算安全系數默認取1.05,也可以取1.0。

2)水浮力的基本組合系數

軟件默認按1.2。

水浮力的基本組合系數目前尚無明確規定,主要參考方法有:

1)《給排水工程構筑物結構設計規范》給出的1.27

《荷載規范》中第3.2.5條中提出對結構傾覆、滑移和漂浮驗算,荷載的分項系數應按有關結構設計規范的規定采用。民用建筑地下室及人民防空地下室均未涉及到此項內容。只有《給排水工程構筑物結構設計規范》GB50069提到了對有關的荷載分項系數問題。

根據《給排水工程構筑物結構設計規范》GB50069-20025.2.2條和5.2.3條,對于抗浮結構的設計,地表水或地下水作用應是第一可變荷載,在進行結構構件的強度計算時,它的分項系數取為1.27;即,在結構構件的強度計算時,結構有利組合時抗力的分項系數取1.0,水浮力的基本組合設計值為標準值乘上1.27。當計算整體抗浮的穩定性時,抵抗力只計入永久荷載,水浮力采用標準值乘以抗力系數Ks(取1.05)。

2按水位是否高于(含等于)室外地坪標高關系分別取1.2、1.4

也有專家提出按荷載規范中的永久荷載和可變荷載的方法來確定分項系數。

根據《建筑結構荷載規范》第3.1.1條的條文說明,按《工程結構可靠度統一標準》GB50153的規定,水位不變的水壓力按永久荷載考慮,水位變化的水壓力按可變荷載考慮。

這樣可以按水位與室外地坪標高關系確定水浮力組合系數:

1當抗浮水位高于(含等于)室外地坪時

可以理解為水壓力是不可能再增加了,視為不變的水壓力。在驗算抗浮時,水浮力為主要可變荷載效應來控制的組合,它的分項系數宜取1.20,抗力的荷載系數為1.0。。

2當抗浮水位低于室外地坪

水壓力有可能再增加,視為可變荷載,它的分項系數宜取為1.4,抗力的荷載系數為1.0。

3抗浮組合

抗浮組合有兩個控制參數,見下圖:

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【底板抗浮驗算(增加抗浮組合)】

由于高水是可變荷載,要考慮其存在和不存在兩種情況。所以勾選此項后,要增加荷載組合:增加一個標準抗浮組合(1.0-水浮力標準組合系數*水浮力);保留原來基本組合,會增加相同數目的含高水的組合。以基本組合為例,比較下圖:

未勾選【底板抗浮驗算(增加抗浮組合)】時共26個基本組合

勾選【底板抗浮驗算(增加抗浮組合)】時新增26個含高水基本組合

考慮到大部分高水組合不起控制作用,而且含高水組合采用非線性分析計算耗時較多。軟件提供了減少高水組合數目的選項【基本組合高水歸并】,勾選后只考慮恒載與高水的兩個基本組合(大部分工程夠用),見下圖:

4抗浮組合的恒載折減

抗浮組合的恒載起抵抗水浮力的有利作用。所以存在一個恒載的組合系數問題,即是否需要考慮恒載折減。

《建筑結構荷載規范》20013.2.5規定對結構的傾覆、滑移或漂浮驗算時,永久荷載其效應對結構有利時,分項系數取0.9,但在2006版中取消0.9的提法。

現行的《建筑結構荷載規范》(GB 50009-20123.2.4條規定當永久荷載效應對結構有利時,不應大于1.0。、對結構的傾覆、滑移或漂浮驗算,荷載的分項系數應滿足有關的建筑結構設計規范的規定

《建筑結構荷載規范》(GB 50009-20123.2.4條條文說明指出:

當永久荷載效應與可變荷載效應異號時,若恒載分項系數仍采用1.2,則結構的可靠度會隨永久荷載效應所占比重的增大而嚴重降低,此時,宜取小于1.0的系數。但考慮到經濟效果和應用方便的因素,建議恒載分項系數1.0。地下水壓力作為永久荷載考慮時,由于受地表水位的限制,其分項系數一般建議取1.0。

在傾覆、滑移或漂浮等有關結構整體穩定性的驗算中,永久荷載效應一般對結構是有利的,荷載分項系數一般應取小于1.0的值。雖然各結構標準已經廣泛采用分項系數表達方式,但對永久荷載分項系數的取值,如地下水荷載的分項系數,各地方有差異,目前還不可能采用統一的系數。因此,在本規范中原則上不規定與此有關的分項系數的取值,以免發生矛盾。當在其他結構設計規范中對結構傾覆、滑移或漂浮的驗算有具體規定時,應按結構設計規范的規定執行,當沒有具體規定時,對永久荷載分項系數應按工程經驗采用不大于10的值。

可見恒載是否考慮取小于1.0進行折減,取決于水浮力的組合系數取值:

1)如果水浮力組合系數取1.2、1.27或者1.4情況下,由于受地表水位的限制地下水壓力不會達到放大后的水位位置,水浮力的放大相當于可以考慮到恒載不足的安全可靠度問題,所以恒載分項系數可以取1.0。

2)如果水浮力組合系數取值已經考慮到放大后的水位位置不能超過地表水位,取了較小值。此時就需要考慮是否對恒載分項系數取小于1.0的值(比如0.9),以保障安全可靠度。

抗浮組合的恒載組合系數可以通過自定義荷載組合,在荷載組合表中直接修改含高水組合的分項系數,見下圖:

5水浮力與人防同時組合

人民防空地下室設計規范GB 50038-2005494條提出:在確定核武器爆炸等效靜荷載與靜荷載同時作用下防空地下室基礎荷載組合時,當地下水位以下無樁基防空地下室基礎采用箱基或筏基,且按表492及表493規定的建筑物自重大于水的浮力,則地基反力按不計入浮力計算時,底板荷載組合中可不計入水壓力;若地基反力按計入浮力計算時,底板荷載組合中應計入水壓力。對地下水位以下帶樁基的防空地下室,底板荷載組合中應計入水壓力。

注意兩點:

1)該條文未明確指出是低水還是抗浮設防水位;

2)軟件計算地基反力時是按全部荷載考慮的,所以只要考慮水浮力和人防荷載同時作用,就應該有同時包括水浮力、人防的荷載組合;

軟件目前認為人防荷載、抗浮設防水兩種極端荷載情況不會同時出現,所以默認組合中只考慮人防和低水組合(如果勾選考慮低水)、不考慮人防和高水同時組合。

如果工程設計中需要考慮人防和高水同時作用,可以通過自定義荷載組合增加組合,見下圖:

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2計算模型參數設置

基礎工程的有限元計算模型參數見下圖:

1彈性地基梁板法

抗浮計算應該采用可以考慮樁土拉壓剛度不同的彈性地基梁板方法。

只有彈性地基梁板法才可以考慮因柱墻支座位移差引起的整體彎曲作用,板內力計算才符合實際情況。

而倒樓蓋計算模型存在板內力計算只計入局部彎曲作用的局限性之外,最大的缺點是無法進行樁的抗拔承載力計算。

2考慮上部結構剛度

彈性地基梁板法時柱墻不再是不動支座,所以應該通過考慮上部結構剛度考慮柱墻對于基礎的支撐作用,以免抗浮工況下板變形和內力過大而導致配筋偏大。

板上剪力墻應采用深梁方案,一般采用默認值即可。

3樁土剛度設置
1抗壓剛度的參數設置

軟件包括兩部分參數來控制基床系數和樁剛度的默認值,設置界面見下圖:

【地基類型】

選項只對于帶樁的有限元基礎工程起作用,如布置基礎中有多柱或墻下復雜承臺或樁情況,但是不包括僅僅布置了錨桿類的情況,如平筏基礎帶錨桿工程。

選項的本質含義為是否需要考慮土分擔。勾選第一項時,如果工程中包含了有限元樁(錨桿除外),軟件對自動將土的基床系數初始化為0,這樣有限元整體計算時就不考慮土承擔上部結構荷載了;勾選第二項,土的基床系數不會自動初始化為0,能考慮土分擔荷載作用,所以常見的樁筏和平筏混合聯合基礎要勾選第二項。

【基床系數和樁剛度】

軟件提供了根據地質資料自動計算、直接指定兩個途徑。

a【根據地質資料按K=P/s,Kp=Q/s反算】

是軟件提供的按根據所輸入的地質資料和準永久組合荷載大小反算地基基床系數和樁剛度系數的方法,即沉降試算。

沉降試算要求必須有地質資料,軟件會按分組對象(連通筏板為組)按平均反力假定計算沉降并計算基床系數和樁剛度。對于考慮樁土分擔的情況,就需要確定樁土假定反力的比例,軟件提供了兩個選項:

自動計算地基土分擔比例,樁反力按總荷載與樁承載力之和的較小值來計算;土反力按20%的總荷載、總荷載減去樁承載力之和差值的較大值來計算。

指定土分擔比例,樁反力按(1-指定比例)來計算;為了實現最終的土反力與指定該指定比例基本一致,軟件不再按K=P/s反算土的基床系數,而是按位移協調原則根據樁剛度直接推算土的基床系數。

注意:計算結果中樁土實際反力的分擔比例是與樁土剛度及位移變形有關的,所以即使指定了土分擔比例,最終結果的土分擔比例也是大致接近該值。如果最終樁土分擔比例與預期目標偏差大,可以通過在【基礎計算及結果輸出】中修改樁土剛度取值來調整最終的分擔比例。

b)【直接取以下默認值】

依樁土類型直接根據經驗來指定,【參考值】按鈕提供了常見的樁土類型經驗值供用戶選用,見下圖:

樁類型為錨桿的樁是用于模擬只抗拔的樁,所以其抗壓剛度自動生成為0。所以對于只抗拔的樁,建議用錨桿類的樁來模擬。見下圖:

2抗拉剛度

土不能抗拉,所以其剛度總是0。

樁抗拔剛度設置,要合理設置抗拔剛度,不宜過小過大(可想象為橡皮筋拉筏板、不動支座),否則計算的抗拔力太小而失真,起不到抗浮作用。

樁的抗拔剛度,一般需現場抗拔試驗曲線數據實測抗拔剛度。否則建議參考如下兩個公式:

1嵌巖錨桿: 按拉桿的剛度計算公式,即:(E*A/L)*折減系數,折減系數據施工是否采用預拉措施考慮,若有預拉措施則可取較大值。

2抗拔承載力特征值/允許位移,允許位移根據工程經驗估算,一般可取10~50mm。

軟件自動生成的樁抗拉剛度按公式:抗拔承載力特征值/允許位移,允許位移為10mm,所以樁抗拉剛度取值為100倍的抗拔承載力特征值(KN/m)。

3基床系數及樁剛度的自定義修改

軟件根據參數自動生成的基床系數及樁剛度只能考慮比較簡單規則的工程。

有些工程還需要在生成數據后,由用戶自定義修改指定基床系數和樁剛度,比如:

1)自動生成的同一連通區域內筏板下基床系數為相同值。某些工程主樓裙房不同區域因地質條件不同或者主樓采用地基處理措施而裙房采取措施,均需要按不同基床系數考慮,如下圖所示:

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2)平筏與樁筏聯合基礎,樁筏部分一般不考慮土承擔上部結構荷載,需要將樁筏區域基床系數修改為0。

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3同一連通大筏板下有多種樁類型時,樁需要指定為與實際匹配的樁剛度。如下圖某工程,主樓下采用樁徑為800、承載力為5400KN的樁,而裙房部位采用樁徑為400、承載力為1150KN的樁,兩類樁要指定采用不同的樁剛度。

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在【基礎計算及結果輸出】模塊【生成數據】后可以修改指定基床系數和樁剛度。

基床系數提供了按構件、按單元兩種修改模式:按構件會將整個構件的基床系數修改為統一值;按單元可以實現同一基礎構件的不同區域基床系數不同?;蚕禂档挠脩艚缑嬉娤聢D:

樁剛度除了可以任意圖選(點選、框選、多邊形選擇)指定樁剛度之外。還提供了【樁定義】修改剛度功能,可以按樁的定義類型樁指定樁剛度。樁剛度修改的用戶界面見下圖:

4抗拔屈服控制

軟件中樁剛度采用了三段式剛度,可準確模擬受壓、受拉、屈服三個階段。另外樁類型為錨桿時,還可以計算預應力錨桿,考慮預拉力對筏板配筋的影響。樁(錨桿)的力位移曲線示意如下圖:

軟件可以模擬樁的抗拉屈服,即樁拉力達到一定值后會保持力大小不變,而忽略剛度貢獻。軟件通過屈服控制點參數來設定屈服值,參數設置見下圖:

6 抗浮設計過程及要點

基礎設計的過程不是完全獨立的,甚至需要進行多次迭代設計。本文為表述方便,將基礎抗浮工程設計分為以下幾個主要過程:

1不考慮抗浮問題進行非抗浮基礎設計

抗浮設計之前需先完成非抗浮基礎如獨基、承臺、平筏樁筏基礎的設計,此時主要考慮地基承載力、樁抗壓和水平承載力、基礎沖切抗剪、基礎沉降驗算要求進行非抗浮基礎設計。這樣為后面的抗浮設計提供了較準確的基礎荷載及剛度信息。

2抗浮參數設置

包括抗浮荷載與荷載組合、計算模型參數等的確定與設置,見前節內容。

3抗浮初步設計

初步設計內容包括整體抗浮初步驗算及局部抗浮估算,是確定基礎詳細設計方案的基礎性工作。

1整體抗浮初步驗算——筏板模型實現

整體抗浮滿足要求是抗浮設計的最低標準,其目的是保證整個基礎是一個穩定結構。如果不滿足基礎將成為可變機構,基礎整體有限元計算將無法得到正常結果。

整體抗浮驗算比較的是水浮力總值與恒載壓重與樁抗拔承載力之和。所以進行整體抗浮初步驗算可以在比較粗略的模型中進行,注意以下幾點:

1)抗浮區域內所有防水板改用筏板模擬,確??垢^域內都建了筏板,板上水浮力荷載大小、覆土荷載、板面恒載等壓重盡量與實際相符,這樣確保水浮力及壓重可以準確得到;

2)抗浮區內板內的樁抗拔承載力特征值與實際設計相符,因為整體抗浮驗算會統計入樁抗拔承載力作為抗浮抗力;

3如果模型尚未精確設計情況下,自重荷載無法精確模擬,但用于整體抗浮初步驗算精度一般是足夠的。

軟件在【基礎計算及結果輸出】【文本結果】【抗浮穩定性驗算】中輸出筏板基礎的整體抗浮驗算驗算結果。抗浮穩定性驗算用戶界面見下圖:

2局部抗浮估算——抗拔樁數量估算來實現

由于上部結構荷載分布不均勻(如主樓和裙房上部荷載存在較大差異),所以還需要進行局部抗浮初步估算,這可以借助軟件提供的抗拔樁數量估算功能實現。

【基礎建?!磕K提供了抗拔樁數量圖計算功能,見下圖:

【抗拔樁數量圖】類似抗壓樁數量圖,用戶指定樁型后,軟件根據荷載大小,按(上部荷載-高水位支座力)/抗拔承載力,給出每個柱墻節點位置最少樁數量圖。

操作步驟和要點:

1)在要計算抗拔樁數量的區域布置上防水板,以便估算每個柱墻位置分擔的水浮力

如果尚未有基礎模型,可以建一塊厚度與實際筏板或者防水板相當的防水板;如果已經有實際筏板或者防水板的基礎模型,將未被防水板包住的筏板的屬性改為防水板。

2)輸入設計的低水位、高水位參數,施加水浮力荷載,見下圖:

3)在【基礎計算及結果輸出】,完成計算分析,得到防水板模型的柱墻支座反力。見下圖:

注意:為得到每個柱墻位置的抗拔樁數量,需要得到每個柱墻位置在水浮力作用下的總支座反力。所以,建議對于把模型中已有樁抗拔剛度設置為0,見下圖:

4)【總參數】對話框,要勾選控制參數,如下圖:

5)【選當前樁】指定抗拔樁型,【樁數量圖】計算柱墻下抗拔樁數量,計算后還可以進行圍區統計圍區內所需樁總數量,用戶界面見下圖:

4抗浮詳細設計

抗浮詳細設計包括兩個主要問題抗拔樁設計、抗浮板(筏板或者防水板)設計。

1抗拔樁設計

有兩種抗拔樁:承壓樁兼具抗拔作用、只抗拔的抗拔樁。兼具抗拔作用的承壓樁,其布置由豎向承載力決定,在抗浮設計之前已經完成布置。這里抗拔樁設計專指只抗拔的抗拔樁設計。

抗拔樁的布置要根據整體抗浮驗算結果及抗拔樁估算結果進行。

抗拔樁的布置是個迭代優化設計過程,抗拔樁設計過程借鑒傳統的手工布置方案逐步采用細化的布置方法,如前文所述的傳統布置方法包括:

1以裙房/主樓為區域均勻布置;

2以柱墻相關范圍為區域均勻布置到柱墻下;

3)房間為對象,把房間分墻柱下區、跨中區

布置好抗拔樁之后,根據后面基礎抗浮驗算結果,迭代調整樁的布置(去掉不起作用的樁、抗拔承載力不足的地方增加樁)進行設計優化。

2抗浮板設計

抗浮板這里指筏板防水板。

筏板抗浮驗算采用的是能考慮拉壓剛度不同的非線性迭代分析方法,可以考慮上部結構剛度、上部荷載的分布、柱墻支座位移差,是精確分析方法。

防水板抗浮驗算采用墻下豎向不動的倒樓蓋計算模型,其計算結果只包括防水板的局部彎曲效應。防水板計算模型只適用于柱墻位置不動支座假定基本成立的情況。

筏板計算模型的優點是可以精確分析各種復雜情況;缺點是用于模擬獨立基礎+防水板、承臺+防水板等工程的防水板時,會導致獨立基礎、承臺按筏板的局部加厚區域進行配筋計算,配筋結果中會按頂底均配筋方式,與只進行獨基、承臺板底配筋設計習慣不符。

防水板計算模型的優點是與獨基、承臺等組合時,獨基、承臺只板底配筋,與工程習慣相符;缺點無整體抗浮驗算結果,無法進行抗拔樁設計,無法模擬局部抗浮不滿足情況的實際受力等。

如果是用筏板(包括樁筏)直接進行抗浮設計情況,用筏板計算模型進行設計,抗浮板的厚度等一般已由非抗浮設計部分確定了,抗浮設計就是進行與抗拔樁共同作用分析進行配筋驗算。

抗浮板設計難點是防水板工程的防水板本身內力設計,關鍵是確定計算模型是采用筏板計算模型還是防水板計算模型。可以參考以下原則來考慮:

1)需要進行抗拔樁設計驗算的,只能采用筏板計算模型的抗拔驗算結果;

2整體抗浮初步驗算或者局部抗浮估算(帶裙房情況)不滿足情況下,倒樓蓋假定不適用,不能直接采用防水板計算模型的內力和配筋結果;

3)只有上部結構荷載比較均勻(單體結構無裙房,整體抗浮初步驗算或者局部抗浮估算(帶裙房情況)滿足情況下,才可以直接采用防水板計算模型的內力和配筋結果;

比較通用的處理方法是分別進行筏板計算模型和防水板計算模型的計算,以筏板計算模型精細抗浮設計(抗拔樁設計及局部抗浮設計)以基準參考

1如果筏板計算模型的結果表明各柱墻位置的支座位移差不明顯(或者是因為本身不存在明顯局部抗浮不足情況,或者是采取了增設抗拔樁有效控制了局部抗浮不足引起的明顯柱墻支座位移),可以直接取用防水板模型的配筋結果。

2否則建議以筏板計算模型配筋結果為準。獨立基礎和承臺的輸出板頂配筋結果與設計習慣不符問題,可以這樣處理——大部分情況下板頂計算配筋值較小,可以不配置板頂配筋,個別板頂計算配筋較大者根據三維變形圖分析原因絕對是否配置板頂筋。

5基礎抗浮驗算及設計優化

只有筏板才可以進行精確全面的抗浮設計,筏板抗浮驗算及設計優化要點總結如下:

1筏板模型必須選擇彈性地基梁板法、考慮上部結構剛度;

2樁土剛度設置是計算模型的重要部分,特別是抗拔剛度設計對于抗浮設計結果起關鍵作用,最好是有抗拔試驗結果;

3需要進行抗浮設計的基礎工程,計算完成后首先查看【文本結果】【抗浮穩定性驗算】結果。要求安全系數大于水浮力的基本組合系數,保證所有組合情況下基礎整體是個穩定的結構,見下圖:

否則當前所有計算結果都是不可用的,必須在采用增加壓重或增設抗拔樁之后,重新進行驗算。

4查看抗浮最不利的工況組合三維位移結果、抗拔承載力以及筏板配筋,檢查局部抗浮情況。

下圖為某局部抗浮不足的工程三維位移結果和筏板配筋結果。

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7 考慮抗拔錨桿的設計要點

1抗拉錨桿的模擬實現

軟件中可以通過兩種方式模擬抗拔錨桿:

1)????? 普通樁,可以設置抗壓抗拉剛度不同來模擬,模擬只抗拔錨桿可以把抗壓剛度設為0來實現;普通樁定義界面見下圖:

2)????? 錨桿,只起抗拔作用支持預應力,無抗壓承載力和水平承載力,V1.6起軟件提供了專門用于模擬錨桿的樁類型,用戶定義界面見下圖:

2 錨桿與普通樁模擬抗拔樁的區別

錨桿是專門用來模擬只抗拔的錨桿的,普通樁可以用于模擬承載豎向荷載兼具抗拔作用的樁。兩者在軟件中的區別表現在:

1)????? 圖形中錨桿和普通樁、承臺樁用了不同顏色,方便用戶醒目地識別抗拔錨桿;

2)????? 樁剛度試算的時候,計算平均樁反力的時候,抗拔錨桿不分擔荷載。錨桿按承載力設計值/允許位移(10mm)估算初始抗拔剛度,抗壓剛度自動設置為0;普通樁按承載力設計值/允許位移(10mm)估算初始抗拔剛度,抗壓剛度根據沉降試算估算。

3)????? 假定錨桿不具備水平承載力,所以在水平承載力驗算時,不考慮錨桿的作用,也不驗算錨桿的水平承載力。

所以如果是只抗拔的樁,建議采用錨桿類樁來模擬。

3 抗拔錨桿設計過程

基礎抗浮設計的整體流程見下圖:

抗拉錨桿設計步驟為:

1)如果需要設置錨桿,首先確定單錨桿承載力;

2)根據【沉降】【三維位移】上抬區,確定設置錨桿的區域;

3)根據【上部荷載【圍區統計】(見下圖)確定錨桿數,(水浮力上部荷載)/錨桿承載力=最小錨桿數,由于錨桿不可能全部發揮最大作用,實際數放大一定比例,完成錨桿初步布置;

4、設定好錨桿抗拔剛度后,進行非線性抗浮計算后,根據抗拔承載力、筏板配筋、三維位移驗算結果優化錨桿布置。主要工作是:去掉作用不大的錨桿;抗拔承載力不足處、筏板配筋過大處增加錨桿。

4 某工程抗拔錨桿設計示例
1工程概況

某工程2層地下室,12米水頭,見下圖:

????

裙房部分由于水浮力大于上部結構荷載,出現明顯上浮,抗浮最不利組合1.0-1.2?。ǜ撸┤S位移結果見下圖(最大上抬位移360多毫米)

由于局部抗浮不足,多處出現明顯的配筋超筋現象。

X向底部配筋最大配筋達216cm2,,云圖見下圖:

Y向底部配筋最大配筋達252cm2,,云圖見下圖:

2抗拔錨桿設計過程

第一步:抗拔錨桿初步布置

確定選用的錨桿單錨桿承載力為800KN。

根據三維變形確定需要布置錨桿的區域為裙房區,【上部荷載】【圍區統計】得到局部抗浮不足區域的恒載、水浮力大小。

按公式:(水浮力 上部荷載)/錨桿承載力? = 最小錨桿數,初步估算錨桿數目。由于不可能全部發揮最大作用,實際數放大一定比例(初步設計階段可以偏大些,按1.5~2)。初步布置210根錨桿,見下圖:

注意對于這種裙房抗浮不足,形成明顯懸臂結構的情況下,可以直接按裙房區域進行均勻布置。比如前文所述的進一步細化區域方法:按以柱墻相關范圍為區域;或者將房間分墻柱下區、跨中區,錨桿只布置在跨中區的處理辦法,反而是畫蛇添足了。

步:抗浮驗算及結果檢查

按彈性地基梁板法、考慮上部結構剛度、合理設置錨桿抗拔剛度后,進行上部結構、筏板及錨桿共同作用分析,完成第一次抗浮驗算。

然后檢查抗浮最不利組合1.0-1.2?。ǜ撸┤S位移結果,查看增設錨桿抗浮有效性。從下圖可以看出增設錨桿后最大上抬量由360多毫米減少為10多毫米,增設錨桿有效限制了局部上浮位移。

還要進行抗拔錨桿軟件驗算并進行優化布置調整。

檢查抗拔承載力結果,找出最大拉力遠低于承載力的錨桿,說明該錨桿明顯不起作用,可以去掉。如下圖,可以去掉右下角及內圈最大拉力很小的錨桿。

檢查抗拔承載力結果,找出承載力驗算超限顯紅提示的錨桿,說明該處錨桿布置不足,需要增設錨桿。如下圖所示,右上角區域需要進一步增設錨桿。

第三步:錨桿優化布置

根據前述抗拔承載力驗算結果進行錨桿的優化布置,去掉因處于受壓區而基本不起作用的錨桿,錨桿布置不足導致錨桿承載力不足區域增加錨桿。錨桿由原來的210根調整布置為114根,錨桿優化方案后布置圖見下圖:

步:抗浮重新驗算及結果檢查,筏板配筋及錨桿抗拔均滿足完成設計。

調整錨桿布置方案后,最不利抗浮工況組合的三維變形見下圖??梢钥闯?/span>錨桿優化減少數量,筏板上抬區域多了些,但最大位移沒有超過10mm,錨桿的限制筏板上抬效果非常明顯。

檢查錨桿抗拔承載力驗算結果。錨桿基本都能較大程度地發揮作用,而且未出現抗拔承載力不滿足要求的情況,錨桿安全。

檢查筏板配筋,板頂部配筋值不大,最大計算配筋約為20cm2,,見下圖:

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這樣就完成了該工程的抗拔錨桿設計。

從該設計示例,可以看出:

1錨桿設計必須基于上部基礎樁土共同分析,考慮上部結構剛度,采用非線性分析方法。

2抗浮設計依賴錨桿抗拔和筏板彎曲共同作用;

3錨桿施工復雜,費用高;

4筏板抗彎能力有限,有明顯局部抗浮不足時必須增設錨桿;

5錨桿設計,本質是筏板彎曲配筋設計與錨桿設計兩者平衡的過程,少設錨桿確保經濟,同時要保證錨桿承載力和板配筋均滿足安全要求。


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