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不少城市随着现代化建设的发展,可利用的土地资源日益减少,人们开始向地下要空间的理念越来越强烈。一方面,伴随着高楼越建越高,基坑开挖也越来越深,并且在结构自身荷载相对有限的情况下,出现了“超补偿式基础”,其中遇到的工程技术、环境问题以及发生的工程事故亦越来越多,这其中以抗浮失效事故最具代表性;另一方面,对于裙房建筑地下室乃至纯地下车库而言,由于水浮力引起的问题更是层出不穷,尤其是南方地区年复一年突如其来的暴雨形成的城市内涝,往往导致实际地下水水位超过勘察单位提供的抗浮设防水位,从而直接影响到地下室底板抗浮抗裂,威胁地下室结构的安全。与此同时,相关规范的原则性太强,缺少应对之策,造成指导性显得不足,使得大多数抗浮设计工作都是基于工程师的个人理解以及实践经验进行,具有很强的主观性和随意性,难以适应复杂的抗浮设计要求。
本文针对目前地下室底板结构抗浮抗裂设计存在问题及应对方法进行研究,以期为工程设计提供科学技术依据和建议。所做主要工作及研究成果如下:
(1)通过文献调研,分析总结了当前地下结构抗浮设计与研究状况,对抗浮工程事故进行了一定的梳理,发现存在的问题及其原因。
(2)通过调查研究近年来城市内涝特点,研究提出应在原有抗浮设防水位的基础上增设临时性抗浮设防水位,以预防城市内涝等所导致抗浮工程事故的发生,同时建议临时性抗浮设防水位取值为地面以上0.0~1.0m。
(3)以实际工程为依托,根据无梁楼盖的直接设计法,反算地下室发生整体抗浮失效以及局部抗浮失效时对应的水头高度,评判工程抗浮安全性;提出对应于底板强度不足时的强度控制极限水头以及对应于出现0.20mm裂缝宽度时的裂缝控制极限水头两个概念,发现底板钢筋配置有富余的同时裂缝控制满足不了当前规范要求,意即这两个极限水头不同步,不协调,表明设计需要改进提高。
(4)保持其余条件不变,仅将底板厚度由550mm减少为300mm,发现强度控制极限水头会迅速降低,不容易满足抗浮设防水位要求,同时裂缝控制极限水头也远小于抗浮设防水位对应水头。计算结果表明,厚度越大的底板对应的两种极限水头也越高,即增大底板厚度更有利于地下室的局部抗浮,这充分说明底板厚度对于抗浮设计的重要性,应该引起足够重视。
(5)利用SAP2000有限元软件进行地下室底板的变形模拟计算,根据抗浮桩的设置与否和不同水头高度下底板各位置竖向位移变化特点探讨抗浮桩对底板结构抗浮的影响。结果显示:抗浮桩在一定程度可以限制底板的隆起,虽然效果不如减小底板跨度来得明显,但水头高度越大,抗浮桩的优势越明显;设置抗浮桩后可以有效限值地下室整体位移,但与通过增加板厚以减小底板内力不同的是,设抗浮桩以后底板的内力反而增大,对配筋的要求也更高。
(6)本课题进行大型混凝土板裂缝升级循环加载与卸载试验,监测在不同加载值下的裂缝宽度发展特征,探讨了适当放宽裂缝控制值的可能性。经试验论证,循环过程中裂缝宽度张开与回缩的规律良好,裂缝张开后的回缩率大多数在70%~110%之间徘徊,说明本钢筋混凝土板具有很强的张缩性,这就为我们期望的在设计阶段放宽裂缝宽度限值提供了实证,同时根据试验观测得到的裂缝深度发展特征,建议设计要求中适当提高底板的构造厚度以防止渗水事故的发生。
(7)经试验论证,C35强度等级的混凝土板在临时外力作用下即使产生超过0.30~0.40mm的裂缝,但当外力在短时间内消失时,其裂缝会回缩至0.20mm以内,还是满足规范要求的。建议设计规范一方面增设临时性抗浮设防水位,另一方面在对此水位作用下的底板结构构件进行配筋时,应考虑裂缝的回缩特性,允许将其最大裂缝宽度适当放宽至0.30~0.40mm以适应城市内涝并做到技术经济合理。
本文针对目前地下室底板结构抗浮抗裂设计存在问题及应对方法进行研究,以期为工程设计提供科学技术依据和建议。所做主要工作及研究成果如下:
(1)通过文献调研,分析总结了当前地下结构抗浮设计与研究状况,对抗浮工程事故进行了一定的梳理,发现存在的问题及其原因。
(2)通过调查研究近年来城市内涝特点,研究提出应在原有抗浮设防水位的基础上增设临时性抗浮设防水位,以预防城市内涝等所导致抗浮工程事故的发生,同时建议临时性抗浮设防水位取值为地面以上0.0~1.0m。
(3)以实际工程为依托,根据无梁楼盖的直接设计法,反算地下室发生整体抗浮失效以及局部抗浮失效时对应的水头高度,评判工程抗浮安全性;提出对应于底板强度不足时的强度控制极限水头以及对应于出现0.20mm裂缝宽度时的裂缝控制极限水头两个概念,发现底板钢筋配置有富余的同时裂缝控制满足不了当前规范要求,意即这两个极限水头不同步,不协调,表明设计需要改进提高。
(4)保持其余条件不变,仅将底板厚度由550mm减少为300mm,发现强度控制极限水头会迅速降低,不容易满足抗浮设防水位要求,同时裂缝控制极限水头也远小于抗浮设防水位对应水头。计算结果表明,厚度越大的底板对应的两种极限水头也越高,即增大底板厚度更有利于地下室的局部抗浮,这充分说明底板厚度对于抗浮设计的重要性,应该引起足够重视。
(5)利用SAP2000有限元软件进行地下室底板的变形模拟计算,根据抗浮桩的设置与否和不同水头高度下底板各位置竖向位移变化特点探讨抗浮桩对底板结构抗浮的影响。结果显示:抗浮桩在一定程度可以限制底板的隆起,虽然效果不如减小底板跨度来得明显,但水头高度越大,抗浮桩的优势越明显;设置抗浮桩后可以有效限值地下室整体位移,但与通过增加板厚以减小底板内力不同的是,设抗浮桩以后底板的内力反而增大,对配筋的要求也更高。
(6)本课题进行大型混凝土板裂缝升级循环加载与卸载试验,监测在不同加载值下的裂缝宽度发展特征,探讨了适当放宽裂缝控制值的可能性。经试验论证,循环过程中裂缝宽度张开与回缩的规律良好,裂缝张开后的回缩率大多数在70%~110%之间徘徊,说明本钢筋混凝土板具有很强的张缩性,这就为我们期望的在设计阶段放宽裂缝宽度限值提供了实证,同时根据试验观测得到的裂缝深度发展特征,建议设计要求中适当提高底板的构造厚度以防止渗水事故的发生。
(7)经试验论证,C35强度等级的混凝土板在临时外力作用下即使产生超过0.30~0.40mm的裂缝,但当外力在短时间内消失时,其裂缝会回缩至0.20mm以内,还是满足规范要求的。建议设计规范一方面增设临时性抗浮设防水位,另一方面在对此水位作用下的底板结构构件进行配筋时,应考虑裂缝的回缩特性,允许将其最大裂缝宽度适当放宽至0.30~0.40mm以适应城市内涝并做到技术经济合理。