壓力型預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿的設(shè)計問題探析

黃小崗

（安徽地平線建筑設(shè)計有限公司， 安徽 合肥 230061）

0 引言

隨著經(jīng)濟建設(shè)的迅速發(fā)展，城市空間的緊缺，地下建筑物成為了未來發(fā)展趨勢。地下室層埋深不斷增加，地下水、地質(zhì)條件錯綜復(fù)雜，加之極端天氣常態(tài)化，使得地下工程的抗浮問題越來越得到關(guān)注?？垢″^桿由于其施工簡單、布置方便，結(jié)構(gòu)受力合理以及造價較低等優(yōu)點，逐步成為抗浮設(shè)計的主要手段之一。筆者結(jié)合工程實例，列出壓力型預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿設(shè)計過程中的幾個問題。

1 壓力型預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿構(gòu)造

壓力型預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿是通過在錨桿底部設(shè)置承載體，并采用無粘結(jié)鋼絞線或套管螺紋鋼筋將所受外力轉(zhuǎn)化為承載體的壓力，作用于錨固體上。錨桿頂部預(yù)應(yīng)力筋在底板張拉鎖定，錨固體受壓，提高桿體耐久性。壓力型預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)簡圖見圖1所示。

圖1 壓力型預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)簡圖

2 壓力型預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿應(yīng)力分析

以桿體為研究對象，施工階段桿體受到的外力為基礎(chǔ)底板對桿頂?shù)念A(yù)壓力和預(yù)應(yīng)力筋對桿體的壓力（包括承載體壓力及孔壁摩擦對桿體的向上作用力），二力平衡。

使用階段，外荷的增加與抗浮錨桿的摩阻力保持平衡。在桿項消壓之前，外荷的增加量等于底板對桿頂預(yù)壓力的減少量，底板對桿頂?shù)念A(yù)壓力與摩阻力的合力保持不變，與預(yù)應(yīng)力筋對桿體的壓力依然大小相等，方向相反，保持受力平衡。

錨桿桿體頂部在施工、使用階段的應(yīng)力狀態(tài)分析如下(見表1)。

表1 壓力型預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿構(gòu)件各階段應(yīng)力分析

注：σcon—預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制應(yīng)力值；

σl—預(yù)應(yīng)力損失值；

σl2-預(yù)應(yīng)力筋摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失值；

Ap—預(yù)應(yīng)力筋的截面面積；

An—錨固體凈截面面積；

fpy—預(yù)應(yīng)力筋的抗拉強度設(shè)計值；

錨固體在施工階段始終受壓，由于預(yù)應(yīng)力損失，壓應(yīng)力逐漸變小，預(yù)應(yīng)力筋損失完成后，壓應(yīng)力穩(wěn)定。使用階段隨外荷載增大，預(yù)壓應(yīng)力逐漸降低，直至消壓。當加荷至桿項消壓之后，桿體與底板脫開。

使用階段定量分析錨桿項部預(yù)應(yīng)力筋在的應(yīng)力變化，當錨桿所受外荷Nk N0時，即當預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力σp=σpc=Nk/Ap>σpe時，預(yù)應(yīng)力筋隨應(yīng)力的增加，將出現(xiàn)自由彈性伸長，錨固體與底板開裂，導(dǎo)致錨桿耐久性降低，基礎(chǔ)上浮。

以上分析可知，壓力型預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿在使用階段由于始終受壓，無需進行桿體裂縫控制驗算，但應(yīng)考慮桿體頂端與底板之間的開裂控制，使預(yù)應(yīng)力筋在使用荷載下的伸長量在施工階段完成，可通過張拉控制應(yīng)力σcon實現(xiàn)，即σcon應(yīng)滿足：

3 預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力σcon的確定

預(yù)應(yīng)力筋在施工階段由于預(yù)應(yīng)力的損失，拉應(yīng)力逐漸變小，損失完成后應(yīng)力穩(wěn)定，應(yīng)力由σcon降為σpe=σcon-σl+σl2(桿頂)。使用階段隨外荷的增加，在桿頂消壓之前，應(yīng)力保持不變。加荷至桿頂消壓之后，拉應(yīng)力開始增大，直至達到屈服破壞。所以根據(jù)表 1，錨桿預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力σcon=σpe+σlσl2。

4 錨桿設(shè)計內(nèi)容

4.1 錨桿抗拔承載力計算

式中:Rt一錨桿極限抗拔承載力標準值(kN)；

d—錨桿錨固體直徑(m)；

la—錨固體長度(m)；

frbk一錨固體與巖層的極限粘結(jié)強度標準值(kPa)；

ξ—經(jīng)驗系數(shù)，可取0.8。

式中:Nka—抗浮錨桿抗拔承載力特征值(kN)；

Rt—錨桿抗拔極限承載力標準值(kN)。

4.2 錨桿筋體受拉承載力

式中Nt—荷載效應(yīng)基本組合下桿頂軸向拉力設(shè)計值；

fpy、Ap—分別為預(yù)應(yīng)力筋的抗拉強度設(shè)計值、截面面積；

Kt—錨桿筋體抗拉安全系數(shù),取2.0。

4.3 錨桿頂部開裂控制計算

(4)承載體局壓區(qū)承載力驗算

式中：Nt—荷載效應(yīng)基本組合下桿頂軸向拉力設(shè)計值；

fck—桿體軸心抗壓強度標準值；

η—有側(cè)限錨固體抗壓強度增大系數(shù)；

Aln-漿體受壓凈面積,為承載體與漿體的接觸面積扣除筋體截面積之后的面積。

5 工程實例

5.1 工程概況

某住宅小區(qū)工程位于河南省商城縣，場地地形高差較大，崗丘地貌，上部有10棟高層住宅，層數(shù)分別為21F～25F。兩層地下室，層高分別為3.6m（-1F），3.5米（-2F），地下室剖面圖見圖2所示。室外場地絕對高程88.60，基底絕對標高79.70，抗浮設(shè)防水位85.55，水頭高度△h=5.85m?？垢≡O(shè)計等級甲級，抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)Kw=1.1。

圖2 地下室剖面圖

5.2 抗浮錨桿設(shè)計

5.2.1 整體穩(wěn)定性驗算

根據(jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標準》JGJ476-2019第3.0.3條，

式中 ：G—建筑結(jié)構(gòu)自重、附加物自重、抗浮結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗力設(shè)計值總和(kN)；

Nw,k—浮力設(shè)計值(kN)；

Kw—抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，本工程取1.1。

地下室整體穩(wěn)定性計算中的抗浮力見表2。

表2 整體穩(wěn)定性計算的抗浮力匯總表

水頭高度△h=5.85m ,Nw,k=58.5Kpa

G/Nw,k=50.37/58.5=0.861<1.1，

抗浮穩(wěn)定性不足，需增設(shè)抗浮構(gòu)件。根據(jù)以上結(jié)果，抗浮構(gòu)件單位面積需提供的抗拔力特征值應(yīng)為R=58.5*1.1-50.37=13.98kpa。由于標準柱網(wǎng)為7.8x6.25米，采用單個柱墩下布置兩根錨桿，單根錨桿的承載力特征值為Nka=350KN。

5.2.2 地質(zhì)情況

根據(jù)勘察報告，底板下土層分布依次為：

③層粉質(zhì)粘土，硬塑，底板下厚度 3.5～4.0米；④層全風(fēng)化花崗巖，標準貫入試驗擊數(shù)21.0-29.0擊，層厚2m左右；⑤層強風(fēng)化花崗巖，重型動力觸探試驗擊數(shù)32.0-50.0擊。

5.2.3 抗拔承載力計算

根據(jù)當?shù)厥┕そ?jīng)驗，錨桿直接取值180mm，按照公式1、公式2計算，錨桿總長度10米，其中自由段長度4.0米，錨固段長度6米。

5.2.4 桿體強度驗算

預(yù)應(yīng)力筋采用PSB1200預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋φT32 ,Ap=804mm2，屈服強度標準值fpyk=1200MPa，抗拉強度設(shè)計值fpy=1000Mpa，按公式3計算，Ap≥700 mm2，按公式4計算，1.2σcon=783 N/mm2＜1000 N/mm2。

5.2.5 錨桿頂部開裂驗算

σpk=Nk/Ap=350KN/804 mm2=435N/mm2

當預(yù)應(yīng)力錨桿張拉控制荷載取1.5倍錨桿抗拔力特征值時，鋼絞線張拉控制應(yīng)力值σcon= 653 N/mm2,參考相關(guān)規(guī)范及現(xiàn)場施工經(jīng)驗，σl、σl2分別取290 N/mm2、100 N/mm2，由公式 5，

σcon-σl+σl2=463 N/mm2＞435N/mm2=σpk

5.2.6 承載體局壓區(qū)承載力驗算

桿體直徑為 180mm，承載體直徑為 120mm，筋體直徑 32mm，則A1n=12462mm2，η取2.0，fck=30 N/mm2

ηfckA1n/2=2*30*12462/2=373KN≥Nka=350KN

6 結(jié)語

以上是筆者對預(yù)應(yīng)力錨桿設(shè)計的幾個問題簡單探討。錨桿設(shè)計時需要根據(jù)地質(zhì)條件、地下水分布及工程特性，綜合考慮方案選擇。同時也應(yīng)結(jié)合相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)進行驗證可靠性，做到做到安全適用、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理。