运用平衡原理降低高层建筑地下室.pdf

第十九届全国高层建筑结构学术会议伦文2 0 0 6 年运用平衡原理降低高层建筑地下室 底板的设计造价吴时适陈孝堂(傀圳 市建 筑设 计 研究 总 院 审 田中 心深 圳 市 抽 汤 建筑 工 粗咨 询 有限 公 词 6 1 8 0 3 1)摘 共高 层建筑的 地下室 底板造价 过高是目 前设 计单位、建设单位最感头 痛的课皿，一个三 层1 6 m 深的地下室，如果耍考虑 1 6 O W&的地下水反力，相当于s倍消防车的 荷重，结构设 计要做承权力和裂缝脸算，底板造价甚大。岩土部门对抗浮水位设计标高如何取值，分歧也很大。本文 通过分析地下水与建筑物的作用关系，从平衡原理寻求降低地下室底板设计造价的方法。关健词:平衡原理刚性平衡区计算跨度造价一、关于平衡的基本概念为了说明地下水与建筑物的作用关系，我们先来研究货船在水中的 平衡关系。图一5 0 K N/m2图二吴时适，男.1 9 4 1.1.离 工，总工程师，广东省 第一届超限离 层建筑工 粗执展设防审 查 专家 委员会委员9 0 1第十九届全国高层建筑结构学术会议伦文2 0 0 6 年 图 一是一艘三层货船的示意图。当一层全空二、三层装货时，吃水 5 m 深，底板的 浮力显然就是5 0 K N/m ,底板的厚度由5 0 K N/m 设计确定。图二是同一艘船，一层装上先前同 样多的货物，吃水也是5 m 深，这时底板是不受力的，荷载被直接平衡了。在这里，浮力起着平衡、抵消上部货物重量的作用，不管是图 一还是图二，货船都在这种平衡状态下航行。图一所示货船在装货过程中，上、中、下三层都受力、变形，货船是通过构 件的 变形达到与浮力平衡的。货船的 侧壁与底板有两点不同，一是在浮力的作用方向，两者刚度相差悬殊;二是侧壁是底板的支座。对侧壁来说，不管船沉到什么深度，正下方以 及其板内的刚性角范围，浮力都被平衡了，这种平衡与图二底板的直接平衡没有什么区别。因 此，货船侧壁的设计，必须扣除正下方以 及其板内的刚性角范围内被平衡了的那部分浮力，仅算底板中间部分传过来的 浮力就可以了。这个观点，很多人接受不了，究其原因，是过份看重浮力的这个“力”字。严格来说，静止的 水产生的 浮力不能称作“力”，称作“平衡能力”会更确切些。从平衡能力或者平衡因素的角度看问题，是很容易理解的。天然地基基础的设计实际上也是利用了上述平衡原理的:无地下水时。土体独立支承上部荷重;有地下水时，水、土共同 作用，这时，水起着平衡、抵消上部荷重的功能。有人将水在土中的作用理解成水、土共同“支顶”上部重量.这样的理解是不全面的，因水与土的性质不同，水是均质的 浮托力，只要它起作用，必然是先期平衡、抵消一部分上部重量。比 方说。上部传下来的重量是2 6 0 K N/m ，如果考虑1 0。高的水头 起作用，则减少1 0 0 W e 上部重量，土体只承受1 6 0 K N/n f。由 于地下水一般都有枯水期，土体总得要考虑2 6 0 K N/m 的 荷重，因此，对于天然地基基础，有无地下水，设计是一样的。假设有人设计了像图三那样的一个刚、柔并存的基础图，上部荷重引起心c 01 0 0 K N/ro e 图 三的 基 底反力 是 1 0 0 K N/m ，在6 0 0 刚 性范围 内，荷载被直 接平衡了，60“角以 外的 薄板部分，.必 须 通 过自 身 的 变 形，将反 力 传 回 刚 性 区 才 能 完 成 承 受I O O K N/m 荷 重 的 任 务。计 算基础时，刚性平衡部分已经平衡了当然就不计了，而悬挑薄板部分的反力则不能不计。的2第十九届全国高 层建筑结构学术会议伦文2 0 0 6 年将6 0。角一直加大到9 0 0，不就成了图一的侧壁了 吗?不防再换一种说法:图二的平衡关系可以 看作是内、外荷对底板施压完成的，图一也是一种施压，只不过这种施压，荷载顺侧壁传到底板，侧壁刚度大(相当图二的直接施压)，二、三层的一部分荷重便与其下方的浮力直接平衡了，计算侧壁时，仅计算底板传过来的那部分浮力就可以了。二、建筑物与地下水的平衡关系 建筑物的地下室底部，有桩、有承台、有地梁、有底板，桩及与其紧密相连的 承台，竖向刚度很大，必然起直接平衡地下水浮力的作用。地梁能否直接起平衡作用，要看与板相对刚度比较的大小。如果地梁设计得仅仅比板高一两公分，或者是板内的一根暗梁，则不能考虑其直接平衡作用。除了构件相 对刚 度的关系之外，还要看被平衡的浮力有多大，如果浮力很小，相对刚度最小的 板就有可能 起直接平衡作用。建筑地墓基础设 计规范 G B 5 0 0 7-2 0 0 2 表8.1.2 扩展基 础(原叫 刚 性基础)的 充许宽高比 值，实质上也是 平衡问 题，那是基础构件与土体的平衡，从表中可看出，刚性平衡的问题，不但与构件本身的刚度有关，也与被平衡力的大小有关，在同一基底压力条件下，材料强度高、刚性角大，强 度低、刚性角小(例如C 1 5 级硅刚 性角是4 5，兰合土则只 有2 6.5 1).关于 水浮力与构件刚度平衡的数值函数关系问 题，目 前还没有哪种规范提出具体的计算公式，设计人员可根据构件传力的相互关系自 行判断。笔者认为，承受浮力的 第二道构件就能起直接平衡作用。就目 前通用的梁板构件而言，只要梁能承受得起板的 传重，梁下方起直接平衡作用是肯定无疑的。如前所述，如果地梁的相对刚度很小，第二道平衡构件就是 桩和承台了。设计人员可以首先假定构件的 截面，通过多次计算、修改来完成计算工作。有个单位为了 检验箱型基础设计的正 确性，委托检测单位测量底板钢筋的 应力。从开工到结构封顶，检测结果都比原来计算的少很多，百思不得其解，这当中原因很多，但平衡因素起很主要的作用，因为设计计算是一步到位，而施工是逐步完成的，所加外荷被土体一点一点平衡了，所以测到的钢筋应力变化很小。构件内 力、变形一旦与外荷平衡，构件内 部应力不复存在:不平衡因 素出 现，构件内 部才产生 应力.打了 桩以后地下室底板的设计如果如上所述考虑地下水的 平衡作用，造价可以 降 低很多。再有，现在的设计不管是板是梁，一律按轴线跨度计算，这又是造成设计浪费的一大原因。笔者认为，由于地下水浮力是平衡力，计算跨度以刚性平衡区外的净跨度作标准是合理的。目 前地下室底板的计算，普遍采用下述偏保守的设计模型:上部重量沿桩传到深层，地下水向 上作用于底板，板再传到地梁，抗浮水位多高，就有多少向上的水反力:该模型 之所以说偏保守，第一，这个模型的假定条件显然是:抗浮水位以下，全部都是水，没有土颗粒，并且基底下面还有一个水的 连通层面，就像建筑物被桩支顶着放在水中一个样;第二，即使是这样.水与建筑物构 件之间仍然存在刚性平衡问题，构件设计时水加3第十九届全国高 层建筑结构学术会议伦文2 0 0 6 年浮力也是不能满打满算的。第三，不管是板、是梁，一律取轴线跨度计算。用这个偏保守 的 模型 计算三层的 地下室，若有1 6:高的 抗浮水 位，则 要考虑1 6 0 K N/m 的水反 力，相当于8 倍消防车的 荷载，底板、地梁要用什么样的截面，配筋多少可想而知。三、计算举例 为了 说明问且，现举一个9 m X 9 m 柱网 三层地下室的例子。从室外地面算起，抗浮水位1 6 二 高，桩、承台、地梁和梁边4 5.角以 下部分，属于刚性平衡区域，水浮力被刚性平衡以后，作用范围只有6.8 m X 6.8 m，如图四所示。底板自 重及其上0.5 m 复土(设9 0 0 0800050 0 /r_，_n户万.皿，丫 009图 四排水沟用)被扣除，则q=1 6 0-2 5 X 0.6-1 8 X 0.5=1 3 6 K N/m 。板跨按6.8 m X 6.8 m 计，近似取简支时的 跨中 弯矩与固端时 支座弯矩的 平均值计M 值，则M=(0.0 5 1 3 十 0.0 3 6 8)X 1 3 6 X 6.8 /2=2 7 7 K N m e 硷C 3 0，查手册知A s=1 7 1 0 m m ，取。1 6 1 0 0 就可以7(裂缝宽 度计算结果，要将钢筋加大到。1 8 1 0 0)。地梁截面1 0 0 0 X 1 2 0 0，计算跨度取承台边至边的6.6 m，则q=1 3 6 X 6.8=9 2 5 K N/m，近似按多跨连续梁承受型荷重计，取M 支座=M 跨中二 0.0 6 X 9 2 5 X 6.6 =2 4 1 8 K N m，用1 4 0 2 5 就可以了。按 构造配箍筋，抗剪承载力足够。裂缝宽 度0.3 m m 左右，硅规范2 8 5 页条文说明提到.当 保护层较厚时，缝宽 可适当 放大。底板有垫层，保护层也较厚，按0.3 二 控制是可以的。对于大体积硅来说，开裂主要由 硷收缩和温度变化引起，裂缝宽度的这种计算方法与产生裂缝的主因不配套。另外，几十公分厚的底板仍然用薄板理论计算也是偏保守的。上述计算作了 个十分保守的 假定，即抗浮水位从室外地面计起1 6 m，用到尽:并且抗浮水位以下土颗粒都不存在，地下水形成连通层面.从计算结果可知，即使作了 如此粗糙的、保守的假定，考虑浮力平衡及缩小计算跨度以后，地下室底板的 配筋也是不大的。众所周知，地下室侧壁设 计，设计分歧不大，无非是水土合算还是水土分算之别，地 下 室 顶 板 设 计 与 水 无 关，整 个 地 下 室 的 设 计，底 板 分 歧 最 大，底 板 造 价 降了，整 个 地下室的设 计造价就降下来了。笔者审查的一个和上述跨度接近的三层地下室工程，抗浮水位高度只有 1 3 m，设计。吕 以.第十九届全国高层建筑结构学术会议 伦文2 0 0 6 年底板厚度7 0 0 m m，除了双层双向配。2 2.1 0 0 钢筋之外，局部地方还附加钢筋:地梁1.5 mX 1.5 m。上下各2 4 4)3 2 纵筋，箍筋是。1 4 1 0 0 六肢箍。与上例相比，板筋大约是2 倍，梁纵筋大约是3 倍。梁箍筋大约是5 倍.硅用量约1.3 3 倍。该工程地下室底板的面积约 5 0 0 0 m ，按经济指标推算，可以 少用 1 3 2 0 m 硷，少用7 3 0 吨钢筋，查定额，总计节约造价约4 0 0 万元。图四的 这种平衡模式，有人用于计算片筏基础，从原理上说，如果土体绝对均匀，是对的;但土层软硬不均，用这种模式计算，要视土质的 均匀程度，将安全系数打大些.四、结束语I、本文以地基基础第二级承力构件作为地下水的刚性平衡区域，以平衡区域外的 挣跨度作为构件的计算跨度，从而达到节省地下室底板设计造价之目 的。2、由于抗浮水位标高不可能准确提供，因此，地下室底板构件的计算不必过份精 细，用粗略估算的结果作设计依据是可行的。3、文中 所提裂缝宽度的 计算是一个有争议的问题。笔者的 观点供同 行参考。4、本文所述内 容是地下水浮力与地下室底板构件的 平衡关系，不是指整体抗浮设 计。整体抗浮计算的 准确性及造价高 低，取决于抗浮水位标高的合理提供。参考文献 1 建筑地基基础设计规范，G B 5 0 0 0 7-2 0 0 2 2 l 混凝土结构设计规范，G B 5 0 0 1 0-2 0 0 2 3 1 张在明著地下水与建筑基础工程中国建筑工业出 版社，2 0 0 1 年s 月9 o 5