基础工程抗浮设计学习笔记

正如地震作用是上部结构设计的核心一样，抗浮设计也是基础结构设计的核心问题，若结构不能抵抗浮力，则结构会丧失稳定。由于建筑使用功能要求，上部结构通常有缺层和大范围楼板缺失开洞现象，因此在进行整体抗浮作用效应分析中，也应取该部位作为隔离体进行抗浮验算，即建筑物抗浮计算同时要满足整体和局部两种稳定性要求。

1. 抗浮稳定系数Kw

《地基规范》5.4.3条提出：建筑物基础存在浮力作用时应进行抗浮稳定性验算，并应符合下列规定：

式中 Gk为建筑物自重及压重之和（kN）

Nw,k为浮力作用值（kN）

Kw为抗浮稳定系数，一般情况下可取1.05。

抗浮稳定性不满足设计要求时，可采用增加压重或设置抗浮构件等措施。在整体满足抗浮稳定性要求而局部不满足时，也可采用增加结构刚度的措施。

2. 抗浮设计验算内容

对于抗浮设防水位超过基础底部的工程，设计师一般布置筏板或者防水板并布置抗拔桩作为抗浮构件，并进行抗浮设计验算。

2.1 整体抗浮验算

依据《地基规范》5.4.3条，要求建筑物自重及压重之和大于浮力的1.05倍。

2.2 局部抗浮验算

整体抗浮满足情况下，基础局部由于水浮力超过上部结构荷载会导致上浮。局部上浮变形会导致筏板/防水板受弯及抗拔桩受拉（为限制基础上浮可以增设抗拔桩），所以局部抗浮验算需要验算两部分内容：

（1） 筏板/防水板抗弯及配筋验算

局部抗浮不足，会引起筏板上抬变形产生弯矩。如果上抬位移不是很大，可以通过加强筏板配筋满足安全要求。而如果上抬位移量过大，会因筏板弯矩过大而导致配筋验算显示超筋，此时可以采取加厚筏板厚度、增加压重、增设抗拔桩等措施。增加配重的抗浮方法通常分为三类：（1）通过在地下室的顶板上增加重力；（2）结合实际的施工情况，可以将底板向外延伸一部分；（3）选用较厚的钢筋混凝土底板。相对来讲，增加底板外挑的这种增加结构抗浮力的方法可以说是较为有效且经济的的方法，仅仅用底板外挑少量的材料用量就可以大大提升结构的抗浮能力，这样不仅施工速度快，而且造价节约成本。

（2）桩抗拔设计及验算

增设抗拔桩可限制筏板的上浮位移量，但是桩会承受拉力，所以需要验算桩的抗拔力是否超过桩承载能力确保桩的抗拔安全性。另外，抗拔桩布置在不同区域的抗浮效果是有明显差异的，比如布置在非明显上抬区，其抗拔作用将不能有效发挥造成浪费，所以抗拔验算的另一项内容是根据桩抗拉承载力验算结果剔除未起抗拔作用的抗拔桩，在安全前提下确保经济有效。

3. 为什么要验算局部抗浮

高层结构的周围一般有较低的裙房或地库，当两者作为一个整体验算时，高层部分的结构荷载大，整体抗浮一般没有问题，而较低的裙房或地库结构荷载小，却可能出现局部抗浮不足的问题。因此，裙房或地库抗浮设计必须进行整体抗浮和分区、分块的局部抗浮验算。地下室结构在整体上浮力的作用下，其受力可能发生很大的变化，可能跨度变大，有时甚至成为悬臂结构，因此，局部抗浮不能忽略。

有些设计师只计算上部结构总自重标准值大于总的水浮力设计值，就认为抗浮设计满足要求，未分析其上部自重荷载的分布和抗浮力的传递途径，造成局部范围因抗浮压力或拉力小于水浮力，导致底板隆起，甚至造成地下室及上部结构构件大面积破坏。还要注意，有些设计人员和施工人员对地表水作用认识不足，当地下室地基为不透水的岩层且支护严密的基坑，认为不存在水浮力，造成施工期间或使用期间地下室上浮破坏的盲点。

4. 抗浮设计验算在有限元软件中的实现和应用

下图为某有限元软件显示的筏板（防水板）抗浮稳定验算下的计算结果，结果标注于筏板（防水板）中心位置。G代表自重及压重之和，Nw代表水浮力作用值，∑Rt代表抗拔桩（锚杆）抗拔承载力之和，Kw为抗浮稳定系数。

需要注意的是，即便整体抗浮满足安全系数的要求了，也是要检查下抗浮验算是否成功以及局部抗浮是否满足。

上图表明整体抗浮是满足要求的，但是我们来看下抗浮验算：

可以看出，该项目高水组合的荷载、反力不平衡，说明这个项目高水计算并没有成功，与抗浮相关的结果当然也就不可用了。有些工程师，没管这个过程，直接看桩拔力不大就开始画图，结果也肯定是大错特错的。

除此之外，还需要检查下局部抗浮是否满足。图中各数值含义同整体抗浮。

需要说明的是，局部抗浮稳定系数 Kw 不一定必须大于抗浮稳定安全系数 [Kw]。当Kw<[Kw]时，说明柱(墙)位置在水浮力作用下会上移，柱(墙)恒载不足以抵抗水浮力的部分，会通过筏板传递给其他位置。

防水板的计算假定为柱(墙)位置为不动支座，Kw<[Kw]说明柱(墙)位置的支座假定不成立，所以此时防水板计算结果是不可靠的。

参考文献：

YJK基础设计软件从入门到精通