浅谈地下建筑抗浮设计
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摘要：随着社会不断的进步，城市建设的速度加快，人们对地下空间的利用率越来越高，地下仓库，人防地下室也越来越多。如何进行越来越深的地下建筑的抗浮设计已经成为结构设计者经常面临的问题。笔者根据近年的设计经验提出一些见解供大家参考。
关键词：地下建筑 抗浮设计抗浮措施
在近年设计中，笔者不只一次地遇到地下建筑的抗浮设计。根据笔者的经验与国家现行规范相结合，通过浮力的产生、相关规范的取值、验算实例、结构抵抗水浮力不足时产生的危害及增加抗浮力措施几个方面进行阐述。
1.浮力产生的原因
地下建筑的部分或者全部位于地下水位以下，由于其排开地下水，使地下建筑底板下的水位与地下水最高水位存在水头差，进而建筑受到向上的浮力。建筑受到的浮力的大小与其排开地下水受到的重力成正比。例如：长宽高分别为80米x25米x7米的地下建筑，地下水的水头差为3.0米，浮力的大小为80x25x3x9.8=5.88x104kN。
2.地下水最高水位的确定
地下水最高水位的大小对浮力的计算起关键作用，根据《高层建筑岩土勘察规程》（JGJ72-2004）8．6．2 条规定：场地地下水抗浮设防水位的综合确定宜符合下列规定：
2.1 当有长期水位观测资料时，场地抗浮设防水位可采用实测最高水位；无长期水位观测资料或资料缺乏时，按勘察期间实测最高稳定水位并结合场地地形地貌、地下水补给、排泄条件等因素综合确定；2.2 场地有承压水且与潜水有水力联系时，应实测承压水水位并考虑其对抗浮设防水位的影响；2.3 只考虑施工期间的抗浮设防时，抗浮设防水位可按一个水文年的最高水位确定。
据此及设计经验，可认为一般的地下水的确定原则：
2.2.1 有历史最高水位记录时，浮力的计算，可取历史最高水位；
2.2.2若无历史为水位记录可取一个水文年的最高水位记录做为设计依据；
2.2.3 场地有承压水且承压水与潜水有水力联系时，按两者的最高水位确定。
3.抗浮设计中的参数选取
在不同的规范中，抗浮设计计算的参数不尽想同，如《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）中规定：“3.2.2 对于承载能力极限状态，应按荷载的基本组合或偶然组合计算荷载组合的效应设计值，并应采用下列设计表达式进行设计：
γ0Sd ≤Rd
式中：γ0──结构重要性系数，应按各有关建筑结构设计规范的规定采用;
Sd ── 荷载组合的效应设计值;
Rd ── 结构构件抗力的设计值，应按各有关建筑结构设计规范的规定确定。
3.1 基本组合的荷载分项系数，应按下列规定采用:
1 款中2）当永久荷载效应对结构有利时，不应大于1.0。
对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，荷载的分项系数应满足有关的建筑结构设计规范的规定。”
《建筑基地基础设计规范》（GB50007-2011）第3.0.5条第3款“计算挡土墙、地基或滑坡稳定以及基础抗浮稳定时，作用效应应按承载力能力极限状态下作用的基本组合，但其分享系数均为1.0。”第3.0.6条第4款“对于由永久作用控制的组合，也可采用简化规则，基本组合的效应设计值（Sd）可按下式确定：Sd=1.35Sk，式中Sk-标准组合作用效应设计值。”
《给水排水工程构筑物结构设计规范》(GB50069-2002)中第5.2.3条中指出“构筑物在基本组合作用下的设计稳定性抗力系数Ks不应小于表5.2.3的规定。验算时，抵抗力应只计入永久作用，可变作用和侧壁上的摩擦力不应计入；抵抗力和滑动、倾覆力应均采用标准值。”查该规范表5.2.3上浮计算时Ks=1.05.
地下室抗浮验算：
（1）整体抗浮验算：
按地质报告：抗浮设防水位-2.8m。地下室层高4.5m，顶厚度为0.2m，底板覆土0.5m，底板厚度为0.5m，底板上有0.5m后的C15砼，垫层厚度为0.1m。水的容重γw=9.8kN/m3,土的容重γ=18.0kN/m3，结构重要性系数γ0=1.0
确定水浮力：
整体抗浮计算水位埋深H=4.5+0.5+0.5+0.5+0.1-2.8=3.3m
水浮力基本组合设计值Sd=1.2γw H=1.2x9.8x3.3=38.81kN/m2
计算地下室自重：
地下室顶板覆土自重：G1=18x0.50=9/m2
地下室顶板自重：G2=25x0.20=5kN/m2
地下室底板自重：G3=25x0.50=12.5kN/m2
地下室底板覆砼自重：G4=25x0.5=12.5kN/m2
地下室底板自重：G5=25x0.5=12.5kN/m2
地下室垫层自重：G6=25x0.1=2.5kN/m2
结构总自重G’=G1+G2+G3+G4+G5+G6=9+5+12.5+12.5+12.5+2.5=45kN/m2
结构抗力基本组合值Rd=0.9x45=40.5kN/m2
结论：γ0Sd
（2） 局部抗浮验算：
局部最不利的轴网面积：A=48m2，垫层底面抗浮计算水位埋深H=3.3m。
水的浮力基本组合设计值Sd=V=1.2γw ，HA=1.2x9.8x3.3x48=1862.88kN
结构总自重设计值Rd=0.9xG’A=40.5x48=1944kN
结论：γ0Sd
抗浮验算中未考虑地下室外墙等对结构的有力影响。
4、结构抵抗水浮不足时产生的危害及抗浮力措施
地下水浮力超出地下建筑物自身重量时，地下建筑在浮力的作用下会产生向上运动，在其四周墙体的约束下，地下建筑可能会发生两种形式的破坏：一种是局部构件的破坏，例如基础底板出现反拱隆起的现象，外侧竖向构件受到土体的约束下变形不一致，出现相对位移，进而导致构件开裂；另一种破坏的形式是建筑的整体上浮。在建筑物各个平面部位上浮值不同的情况下，建筑物出现倾斜。抗浮能力不足时，可采取一些具体的措施来增加结构抗力，如增加底板或底板上的覆砼自重，设置抗拔桩等，在此不一一赘述。
5.结束语
本文笔者结合国家现行规范，提出了对地下建筑的抗浮设计的一些理解。供大家参考，如有不足之处，望读者指正批评。大家共同进步。
参考规范
1建筑结构荷载规范 GB50009-2012 中国建筑工业出版社
2给水排水工程构筑物结构设计规范 GB50069-2002 中国建筑工业出版社
3建筑基地基础设计规范GB50007-2011中国建筑工业出版
4高层建筑岩土工程勘察规程 JGJ 72-2004 中国建筑工业出版社
5高层建筑岩土勘察规程 JGJ72-2004 中国建筑工业出版社
作者简介作者：练齐操 （1980~），从事结构设计工作8年，国家二级结构注册工程师。