工业建筑中抗浮设计方法探讨

工业建筑中抗浮设计方法探讨

唐昭青1,唐振兴2,吴建华3   

1.中国轻工业长沙工程有限公司 2.宏林建设工程集团有限公司 3.中建五局土木工程有限公司

摘要：本文根据笔者在工作中遇到的工业建筑相关抗浮问题，简述了抗浮设计的基本原理与重要性，并对抗浮设计的相关内容与措施，进行相应的探讨。

关键词：整体抗浮 局部抗浮 抗浮措施

0．引言

不合理的抗浮设计，轻则造成梁板开裂，重则导致结构整体上浮，直接危害建（构）筑物的使用及结构的安全性。因此，工业建筑中的地下水池、地下泵房等各类建（构）筑物，当其地下水位较高时，抗浮设计显得尤为重要。

1．抗浮设计内容探讨

1）抗浮水位选取

在对地下建（构）筑物进行抗浮设计时，我们首先要确定其抗浮设计水位。抗浮设计水位的高低，与地形、地貌、气候等因素相关。笔者认为，在进行抗浮水位时确定，应遵循以下几点；应正确区分抗浮水位与孔口可见水位。对于临近水源丰富的江河湖泊场地，应尤其注意历史最高水位，不能仅按一般场地确定。注意地面标高变化产生的地表水聚集效应对地下建（构）物的破坏。

2）整体抗浮设计

整体抗浮设计主要是保证结构不被水浮力上托而浮起，其设计控制指标为结构抗浮安全系数Ks，由公式Ks＝Gk／Fk可以算得，式中Gk为抗浮荷载标准值，仅考虑建（构）筑物恒载作用部分，Fk为依据抗浮设计水位算得的水浮力。

3）局部抗浮设计

相对于整体抗浮，局部抗浮更容易在设计过程被人忽视。但因局部抗浮不够而引起的工程事故也不少，如某高层建筑地下室底板局部隆起高达350mm，柱间板出现45破坏性裂缝，造成了财产损失。

2．抗浮设计阶段探讨

1）施工阶段抗浮设计

在施工过程中，因主体尚未完工，各项利于抗浮的荷重还未施加，当出现大的降雨，或其他原因使浮力增大，此时极易发生由抗浮引起的工程事故。工业建筑中的消音池、消音坑，在正常使用过程中，其上有较重的真空泵设备及设备基础，但在施工池子底板和侧壁过程中，由于顶板、基础、设备等荷重均还未施加，如此时突遇大的降雨，使池子抗浮水位突涨，就出现池子抗浮不够，因此，我们一定要重视施工阶段的抗浮设计，在设计图纸中，对施工抗浮措施提出相应的要求，防止施工人员在施工时不关注降水、排水措施。施工阶段发生的抗浮工程事故屡见不鲜，如长沙市某医院，在地下室施工过程中，突遇暴雨，导致地下室出现上浮。

2）使用阶段抗浮设计

使用阶段，对于能用于抗浮的荷载基本都已形成。针对不同的情况，可以采用不同的抗浮设计。但在使用过程中，也经常出现底板开裂，漏水的情形，有些甚至将一些地下水产生的效应错认为是温度应力作用，混凝土施工质量问题等。此时，我们也应采取相应的抗浮措施，来消除抗浮对于主体结构带来的不利影响。

3．抗浮基本措施

常用的抗浮措施为增加配重，完全以结构和填料自重来平衡水浮力，俗称“压”；另一种是设置抗拔构件，如抗拔桩、抗浮锚杆，俗称“拉”。抗浮措施的选择，与地下结构类型、场地水位地质条件有关。对于由上层滞水和地面水引发的抗浮问题，宜采取截断、疏排或封堵的办法予以解决。对于潜水或承压水引发的抗浮问题，视水量大小而采取不同的抗浮措施。当水量大时，可采用增加结构及填料自重或设置抗拔构件；当涌水量小时，可在地下建筑物外围设置盲沟、集水井，排除可能产生说服力的地下水。

4．水浮力分项系数取值

关于水浮力的分项系数和抵抗力的分项系数的取值，目前还存在一定的分歧。《荷载规范》中3.2.5条规定：抵抗水浮力的结构自重作为永久荷载，对结构有利组合时，其分项系数取1.0。但水浮力是可变荷载，其分项系数又该如何确定？根据《荷载规范》3.1.1条的条文说明，水位不变的水压力，按照永久荷载考虑，水位变化的水压力，按照可变荷载考虑。在《给排水工程构筑物结构设计规范》5.2.2-5.2.3条中明确表示：对于抗浮设计，地表水或地下水作用应是第一可变荷载，在进行结构构件的强度计算时，它的分项系数取为1.27。而当计算整体抗浮稳定性时，抵抗力只计入永久荷载，水浮力采用标准值乘以抗力系数Ks（取1.05）。因此，在进行整体抗浮时的外力效应及抗力系数都是确定的，而在计算局部抗浮和构件抗浮时，地下水则变成了可变荷载，该项系数的取值就变得不再唯一。

5．抗浮设计实例分析

实例：安徽山鹰给水废水处理工程-清水池抗浮设计。

该池平面尺寸为13mx17.2m，池内有4.2x4.2的柱及部分砌体导流墙，各构件厚度为：池壁厚 250mm，顶板厚 180mm，顶板底标高 1.200：底板厚400mm，底板顶标高-2.8，底板底标高-3.2m，取室外地面标高为抗浮水位设计水位。

（1）整体抗浮设计

池体承受的浮力为F1=13x17.2x3.2x10=7155 KN，池壁、顶盖及底板的结构自重标准值G1K＝13x17.2x（0.18＋0.4）x25＋（17.2＋13）x2x0.25x4x25＝4752KN。若取Ks＝1.05，则整体抗浮验算时，抗拔桩承担的总水浮力标准值P1

K＝7155x1.05-4752＝2761KN，该清水池设有20颗桩，则每颗桩需提供的抗拔承载力Ra1＝2761／20＝138KN。

（2）局部抗浮设计

在柱受荷范围内，忽略柱自重，顶盖及底板结构自重为G2K＝4.2x4.2x（0.18＋0.4）x25＝256kN，单柱受荷范围内承受的浮力大小为 F2K＝4.2x4.2x3.2x10＝530KN，故柱下桩基抗拔承载力为Ra2＝530-256＝274KN。

比较整体抗浮单桩承载力Ra1与局部抗浮单桩承载力Ra2可知，Ra1＜Ra2，桩基抗拔承载力由局部抗浮决定。

（3）抗拔桩构造措施

该工程选用PHC-AB500（125）预应力管桩，管桩顶采取混凝土灌芯处理，同时桩顶设置受拉锚固钢筋，以满足桩与承台的有效连接要求，并对桩身强度与裂缝控制做出相应要求。通过这些构造措施，确保抗拔桩的安全性、可靠性。

6．结论

当地下水丰富时，一定要注意地下建筑物的抗浮设计。应分别考虑地下建筑物的整体抗浮与局部抗浮，选择合理的水浮力分项系数，进行相应的抗浮结构计算，同时采取有效的抗浮构造措施，确保地下建筑物有效抵抗水浮力作用。