一种高抗浮抗裂性能地下室底板结构及其设计方法与流程

本发明属于特殊的钢筋混凝土结构，具体涉及一种高抗浮抗裂性能地下室底板结构及其设计方法。

背景技术：

目前建筑场地水文地质条件越来越复杂，地下水水位受丰水季节及枯水季节补给的变化和环境地下工程活动等众多因素的影响而变化复杂；因建筑物高度对基础埋深的要求和地下空间资源的充分开发利用需要，建筑物基础设计得越来越深，地下水对基础底板的浮托作用力急剧增大，超过200kPa的情况几乎成为常态；为了提高建筑空间的利用率，降低地下建筑空间使用布局的难度，塔楼特别是裙楼柱距越来越大，并且多用筏板式基础、桩基+筏板式基础或者锚杆(索)+筏板式基础。这些因素致使地下室底板承受的剪力和弯矩大大增加，受临界配筋率的限制往往增加底板厚度，底板厚度的增加又加大了施工缝和温度裂缝的控制难度。

对于地下水对建筑物总浮托力的平衡问题，常采取建筑物自重平衡法、配重平衡法、锚固力(锚桩、锚杆或锚索)平衡法和长期抽降法(如上海金茂大夏)等措施加以解决。对于柱间底板剪力和弯矩增加问题，常采用增加筏式基础底板厚度、增加筏式基础底板结构配筋，或者在柱间底板布置抗浮锚桩、抗浮锚杆或抗浮锚索等技术加以解决。

目前，虽然建筑物外部抗浮稳定计算理论和抗浮结构设计技术，能够解决一些水文地质条件简单，地下水水位及其变化明确，建筑物使用功能单一，抗浮水头较小情况下的抗浮工程问题。但对于越来越多的场地，其水文地质条件复杂，地下水水位及其变化过程多变，建筑物使用功能多样和抗浮水头大的抗浮工程，仍然面临下列难题：

(1)塔楼(主楼)、裙楼及纯地下室各单元之间结构刚度和强度的差异，在地下水浮托力作用下地下室底板、外墙和隔墙出现众多的结构裂缝，如成都大鼎商厦等。

(2)地下轨道交通建设和地下空间开发等因素的影响，对地下水水位及其变化的评价难度增加，评价结论风险加大，地下室底板抗浮设计可靠度和安全性降低，为地下室底板开裂漏水埋下了难以预知的隐患。

(3)针对高地下水抗浮水头，增加建筑物地下室底板厚度，除投资会增加外，施工难度将会增加，施工缝和温度裂缝难以避免，此类裂缝成为漏水的通道和隐患，并且难以永久性修复。

(4)温度裂缝、施工裂缝和初期结构裂缝形成出现渗水之后，造成地下室底板的配筋加速锈蚀，形成“底板初始裂缝—裂缝渗水—钢筋锈蚀及混凝土腐蚀—裂缝变宽—裂缝渗水更加严重”的恶性循环，最终降低了底板结构的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述问题，提供一种高抗浮抗裂性能地下室底板结构，该地下室底板结构，采用空间结构，降低地下室底板弯曲跨度，减小底板结构弯矩及拉伸应力区域，充分利用混凝土抗压强度远大于抗拉强度的特点，解决上述地下室底板结构抗浮抗裂的工程技术难题。

本发明的另一目的是提供一种上述高抗浮抗裂性能地下室底板结构的设计方案。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种高抗浮抗裂地下室底板结构，该地下室底板结构为相邻两柱间底板下沉形成倒凌锥形空间结构，与普通平板形地下室底板结构相区别。

一种上述高抗浮抗裂地下室底板结构的设计方法，包括以下步骤：

S1、确定建筑物柱距：根据建筑物建筑学功能设计，确定建筑物底层地下室柱距布置；

S2、确定柱间底板下沉高度：按照矢跨比为1/15～1/6的范围，确定底层地下室底板柱间最大下沉高度；

S3、确定柱间底板下沉形态：根据建筑场地水文地质条件、基坑深度、抗浮水头高度和建筑物地下室基础筏板，确定柱间底板的下沉形态；

S4、地下室底板整体布局：根据步骤S1至步骤S3确定的参数，首先布局底层地下室规则柱列区段的底板结构，再按照等腰三角形法则布局底层地下室非规则柱列区段的底板结构；

S5、地下室底板结构模型：按照现行规范及原则对建筑物外部整体抗浮稳定性和各建筑区抗浮稳定性及其内力分配进行设计，根据步骤S1至步骤S4确定的参数、建筑物外部整体抗浮稳定性、各建筑区抗浮稳定性及其内力分配构建地下室底板柱间底板结构计算模型；

S6、地下室底板结构内力计算：

根据步骤S5获得的地下室底板柱间底板结构计算模型，采用以下两种方法中的一种进行内力计算：

方法一：按照弹性力学板壳原理进行理论计算，或者利用有限元数值计算确定柱间底板的内力分布；

方法二：根据最大内力值计算原则，沿板的纵、横两个方向剖分单位宽度的梁，按照实际的两端固定梁或者两端绞支简化梁模型计算，确定柱间底板的最大内力值；

S7、地下室底板结构配筋及结构图绘制：根据步骤S6计算确定的地下室底板内力分布，按照钢筋混凝土结构设计规范进行配筋率计算，根据配筋利率计算数据进行配筋及结构图绘制，完成设计；

S8、地下室底板施工：根据地下室及基础设计参数测量放样，根据设计的底板结构设计参数开挖抗裂底板基槽，并施工垫层和防水层，安装和扎接抗裂底板和立柱结构钢筋，架设模板浇筑混凝土。

优选地，步骤S3中，所述建筑物地下室基础筏板包括桩筏基础和锚杆锚索筏式基础。

优选地，步骤S3中，采用等腰三角形下沉形态。

优选地，步骤S5中，所述地下室底板柱间底板结构计算模型，实际边界为固定边界，采用固定边界处理或转动边界处理。

本发明的有益效果是：本发明提供的高抗浮抗裂性能地下室底板结构，与普通平板形地下室底板结构相区别，该地下室底板结构为相邻两柱间底板下沉形成倒凌锥形空间结构其是一种空间型建筑物地下室底板结构，该底板结构能够承受较大的地下水压力，通过减小弯曲跨度和弯矩而降低拉张应力和剪张应力，使其具有高抗裂能力、抗渗能力以及抗浮性能，且延长了使用寿命，同时其厚度和配筋率减小，进而大大节约了投资。进一步的，本发明提供的上述地下室底板结构的设计方法，可根据应用工程不同而设计出符合实际需求的高抗浮抗裂性能地下室底板结构，步骤简单可操作性强。总体而言，本发明提供的地下室底板结构及其设计方法能够有效解决底板常常出现开裂漏水、难以进行有效后处理的工程病害问题，可广泛应用于地下水丰富和补给来源广泛、地下水压力变化复杂并且难以准确定量评价的场地地基、高层建筑箱型基础或桩筏式基础及地下室抗浮锚杆基础筏式基础等场合，实用性强，值得在业内推广。

附图说明

图1是本发明实施例中双向等柱距平面示意图；

图2是图1中A-A’方向剖面图；

图3是图1中B-B’方向剖面图；

图4是图1中C-C’方向剖面图；

图5是图1中D-D’方向剖面图；

图6是图1中E-E’方向剖面图；

图7是柱及柱间筏板平面图；

图8是柱及柱间筏板立面示意图；

图9是柱间筏板立面示意图；

图10是柱间筏板半幅结构模型；

图11是柱间筏板半幅结构模型。

附图标记说明：1、底板；2、底层地下室；3、地下室；4、地下室楼板；5、底层地下室地坪。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。需要指出的是，以下实施例中提到的方向用语，顺序用语，如“上”，“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

如图1-11所示，在本实施例中以双向10m等柱心距为例，展示本发明提供的高抗浮抗裂地下室底板结构，该地下室底板结构为地下室底板局部下沉形成倒凌锥型，地下室底板局部为地下室底板上可构成方形的相邻四个柱之间的部分。值得说明的是，其他情况时(如非规则柱心距、非双向等柱心距等情况)，底板结构只有长、宽尺寸的区别，并无其他实质性的区别。

进一步的，本发明中的“地下室底板”是指高层建筑物有关的裙房地下室，居住小区内纯地下室，或者其它地下构筑物最底层基础底板结构。

以下也以双向10m等柱心距为例对本发明提供的高抗浮抗裂性能地下室底板结构的设计方法进行进一步详细的说明，以进一步展示本发明的优点和原理：

本发明的高抗浮抗裂性能地下室底板结构的设计方法，具体包括以下步骤：

S1、确定建筑物柱距：

根据建筑物或构筑物建筑学功能设计，确定建筑物或构筑物(地下仓库及停车场等)地下室底层柱距布置。如图1所示，为双向10m等柱心距情况，其它非双向等柱心距、规则柱心距或非规则柱心距的确定方法根据建筑学设计确定。

S2、确定柱间底板下沉高度：

按照“矢跨比”为1/15～1/6的范围，确定地下室底层底板柱间最大下沉高度。如图2所示，最大下沉高度为0.8m，矢跨比为1/12.5。

S3、确定柱间底板下沉形态：

根据建筑场地水文地质条件、基坑深度、抗浮水头高度和建筑物地下室基础筏板(包括桩筏基础及锚杆锚索筏式基础)确定柱间板的下沉形态。

需要说明的是，根据弹性力学中的板壳理论，球冠式或者椭球冠式下沉形态在结构受力上最合理，但设计和施工难度较大，因此优选采用等腰三角形形态下沉，可以兼顾结构上的合理性和实施的简便性，如图3-6所示的图1中各方向的剖面图。

S4、地下室底板整体布局：

根据步骤S1至步骤S3确定的参数，首先布局底层地下室规则柱列区段的底板结构，再按照等腰三角形法则布局底层地下室非规则柱列区段的底板结构。

S5、地下室底板结构模型：

整体建筑物外部整体抗浮稳定性和各建筑区(主楼、裙房和纯地下室区域)抗浮稳定性及其内力分配按照现行规范及原则进行设计。再根据步骤S1至步骤S4确定的参数、建筑物外部整体抗浮稳定性、各建筑区抗浮稳定性及其内力分配构建地下室底板柱间底板结构计算模型。

如图7-11所示，为本实施例中建筑物地下室底板柱间底板结构计算模型，其中，图10-11所示的计算模型，实际边界为固定边界，可以按照固定边界处理；为了简化计算工作量，可以按照可转动边界处理，其计算结果用于结构设计偏安全。

S6、地下室底板结构内力计算：

根据图10-11所示模型，进行底板结构内力计算。内力的计算方法有两种，可任选其一。

方法一：按照弹性力学板壳原理进行理论计算，或者利用有限元数值计算确定柱间底板的内力分布；

方法二：根据最大内力值计算原则，沿图10和图11所示板的纵(a1，b1—a4，b4)、横(a5，b5—a4，b4)两个方向剖分单位宽度的梁，按照实际的两端固定梁或者两端绞支简化梁模型计算，确定板的最大内力值。

S7、地下室底板结构配筋及结构图绘制：

根据步骤S6计算确定的地下室底板内力分布，按照钢筋混凝土结构设计相关规范进行配筋率计算，根据配筋利率计算数据进行配筋及结构图绘制。

S8、地下室底板施工：

根据地下室及基础设计参数测量放样，根据设计的抗裂底板设计参数开挖抗裂底板基槽，并施工垫层和防水层，安装和扎接抗裂底板和立柱结构钢筋，架设模板浇筑混凝土。

需要说明的是，本发明提供的高抗浮抗裂地下室底板结构，其中“高抗浮性能”是指相对于现在普通建筑物地下室较小抗浮水头而言，能够承受抗浮水头大于20m以上地下水压力的性能；“高抗裂性能”是指相对于普通平面型地下室底层筏式(包括桩筏式或锚杆筏式)基础底板(在较高地下抗浮水头浮托力作用下产生较大弯矩，致使底板容易开裂，或者致使底板施工缝及温度裂缝容易松弛渗水)而言，通过地下室柱间底板局部下沉形成倒凌锥形空间结构，减小柱间底板弯曲跨度，降低底板结构弯张力，具备高抗弯曲开裂的能力。

本发明中所述的“地下水水位”，是指带地下建筑空间的建筑场地地下水潜水面的高程。该高程随大气降雨形成的地表补给情况、周围地下水渗流补给与排泄情况和周围人类工程活动情况(对地下水的补给、抽排或渗流障碍)，以及平面位置而随机变化；

进一步地，上述“抗浮水头”，是指建筑场地抗浮地下水水位与建筑物地下室底层基底面高程之差；

上述“抗浮地下水水位”，是指根据特定建筑场地地下水水位随机变化情况，按照统计年限和规范规定的抗浮设计标准及抗浮安全要求确定的地下水水位。特定建筑物场地的该地下水位固定不变。

上述“初期结构裂缝”，是指地下室底板大体积混凝土浇筑时因混凝土发热造成的温度分布不均等因素引起的收缩裂缝。

上述“温度裂缝”，是指地下室底板浇筑完成后，因温度变化凝固混凝土结构热胀冷缩引起的裂缝。

本发明提供的地下室底板结构，与现有平板形地下室底板结构相比较，其局部下沉褶曲形成的具有空间形态和较高抗弯性能的地下室底板结构，本发明提供的设计方法，可根据实际工程需求设计出相应的高抗浮抗裂地下室底板结构。总体而言，该地下室底板结构及其设计方法，具有很强的实用价值及广阔的应用前景，值得在业内推广。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。