摘要：针对民用建筑中地下水位较高，纯地下室部分的自重不足以抵消水浮力的普遍现象，为探索行之有效的抗浮措施，依托SPA2000、ABAQUS 有限元软件，模拟抗拔桩对结构底板作用的受力状态，建立精细化有限元结构分析模型。通过对考虑抗拔桩抗拔力对地下室底板的有利作用下，及不考虑抗拔桩抗拔力对地下室底板的有利作用下的结构内力分析，进而分析得出抗拔桩抗拔力对结构底板配筋的影响，提高地下室底板的经济性。
关键词：SAP2000 抗拔桩 底板内力
抗拔桩对结构底板内力影响的分析
Analysis of the Effects of Uplift Pile on internal Force of Basement Blab
李德文，云南中建人文建筑设计研究院有限公司，建筑及规划设计研究所，结构工程师
因地下水浮力所造成的建筑物、构筑物等上部结构发生倾斜、倒塌的事故屡屡发生。随着经济的发展，民用建筑中设置地下室的工程越来越多，而且面积更大、基础底板的埋深也越来越大。在抗浮设计水位较高的情况下，结构整体抗浮往往能满足规范要求，但对于无上部结构的纯地下室部分，自重不足以抵消水浮力，此时地下水浮力作为对结构设计起控制作用荷载考虑，且为保证结构的局部抗浮稳定性，必须采取抗浮措施，其中抗浮桩就是普遍采用的抗浮措施。在工程实践中，抗浮桩主要布置于局部抗浮不足的纯地下室部分。然而，在工程实践中，由于缺乏方便可行的分析方法，设计人员在计算地下室底板及地梁的配筋时，往往不考虑抗拔桩对底板及地梁配筋的有利作用，无疑会造成结构断面或配筋的增加。
理论上，我们可以将抵抗水浮力的结构抗力分解为结构本身自重和桩身抗拔力两个部分，其中结构自重是通过结构的竖向构件柱传至基础及地梁，然后再分配至底板上的，由于相应的反作用力的效应，会在底板及地梁中产生内力。而抗拔桩产生的抗拔力部分，则是通过桩承台传至底板、柱或者梁上，再分配至底板上的，由于抗拔桩作用多样性，导致该部分对应的反作用水浮力产生的内力具有复杂性，根据工程实际，研究上述两种作用效应下底板的简化计算方法具有理论意义。
需要进行抗浮设计的工程，结构自重抵消部分水浮力，其余的水浮力由抗拔桩承担，抗拔桩是一种附加的抗浮措施，但是抗拔桩与地下室底板连接后会对底板产生作用【1】。文章依托SAP2000、ABAQUS有限元软件，建立研究对象的精细化有限元结构分析模型，分析水浮力作用下考虑抗拔桩对地下室底板的有利作用和不考虑抗拔桩对地下室底板的有利作用的结构精确内力，进而分析抗拔桩抗拔力对结构底板配筋的影响。
1、抗浮桩对结构受力的影响
纯车库部分设置抗拔桩之后会对车库结构本身的结构本身的受力产生影响，在不计如侧壁的影响下抗浮安全系数按1.05 考虑。下面昆明某工程大型地下室为例进行说明， 该工程地下室为2 层框架结构，底板埋深8.9 m ，顶板覆土2m ，水头高度按8m 考虑，框柱跨度7.8 m ×7.8 m 。（图1）
水头高度按8 m 考虑时，纯地下室部分自重不足以抵消水浮力，需采取抗浮措施。由于纯地下室部分局部抗浮不足，根据计算可知每个框架柱下面需设置4 根抗拔桩。现分别采用SAP2000 和ABAQUS 有限元软件，对考虑抗拔桩对地下室底板有利时，进行结构内力计算分析；采用SAP2000 有限元软件，对不考虑抗拔桩对地下室底板有利时，进行结构内力计算分析。
不同模型采用的构件材料及参数均为一致，从而得到更有意义的分析结果。抗拔桩分别采用弹簧模拟和支座模拟，核心问题是如何确定弹簧刚度【2】。
根据抗拔静载试验报告所提供的力-位移曲线（P- △曲线），当上拔力从0 逐渐加大到1200 kN 时（将抗拔桩的弹簧刚度单位转换为1200 kN /10 mm =1.2 × 105kN/m），抗拔桩上拔量到达第一个拐点，约6 mm 。
2、考虑抗拔桩对结构的影响
2.1 有限元计算模型及弯矩
为避免单一软件的计算结果与实际工程情况误差性，确保有限元分析结果得到更真实的楼板应力分布情况，考虑抗拔桩对地下室底板有利时， 楼板内力分析采用SAP2000 和ABAQUS 两个软件同时分析，这样应力分析结果将更有说服力。
SAP2000 模型中抗浮桩抗定义为弹簧，弹簧刚度按抗拔静载试验报告所提供的力-位移曲线计算值计入；ABAQUS 模型中抗浮桩按桩输入，桩刚度同SAP2000 弹簧刚度。不同模型采用的构件材料及参数均为一致，以减小有限元分析结果的误差。
标准组合下SAP2000 模型结构的位移曲线如（图2） 所示。由图可知，底板最大位移约为10 mm ，抗拔桩的最大位移约为6.6 mm 。
标准组合下SAP2000 模型结构的弯矩图如图3、图4 所示。由图可知柱上板带最大支座负弯矩约为811 kN·m ，跨中板带最大弯矩约为180 kN·m 。
2.2 有限元计算模型及剪力
标准组合下SAP2000 模型结构的应力图如图5、图6 所示。标准组合下ABAQUS 模型结构的应力图如图7、图8 所示。
由图可知楼板应力分析结果SAP2000 与ABAQUS 的壳应力接近，误差不大于5%。
3、不考虑抗拔桩对结构的影响
3.1 有限元计算模型及弯矩
模型中不考虑抗浮桩刚度，即抗浮桩作为支座考虑。SAP2000 模型中抗浮桩定义为只约束U3 方向的支座。
标准组合下SAP2000 模型结构的位移曲线如图9 所示。由图可知，底板最大位移约为3.3 mm ，抗拔桩的最大位移约为0 mm 。
标准组合下SAP2000 模型结构的弯矩图如图10、图11 所示。由图可知柱上板带最大支座负弯矩约为824 kN·m ，跨中板带最大弯矩约为200 kN·m 。
3.2 有限元计算模型及剪力
标准组合下SAP2000 模型结构的应力图如图12、图13 所示。
4、抗浮桩按不同刚度计算时对结构的影响
抗浮桩按弹簧刚度分别按1×105 kN/m 和0.8×105 kN/m 计入模型，以分析在不同抗浮桩刚度下结构底板的受力情况。
标准组合下SAP2000 模型结构的弯矩图如图14、图15 所示。由图可知柱上板带最大支座负弯矩约为819 kN·m ，跨中板带最大弯矩约为196 kN·m 。
5、有限模型分析结果对比
5.1 考虑抗拔桩对地下室底板有利
和不考虑的计算结果做对比现对考虑抗拔桩对地下室底板有利和不考虑的计算结果做对比，如（表1） 所示。
从计算结果可见，考虑抗拔桩对地下室底板有利时，抗拔桩的计算位移量为6.6 mm ，底板的计算位移量为10 mm ；不考虑抗拔桩对地下室底板有利时，抗拔桩的计算位移量为0 mm ，底板的计算位移量为3.3 mm 。虽然从计算结果来看考虑抗拔桩对地下室底板有利的计算位移量大于不考虑的，但是两者的计算位移的差值是接近的。
对于跨中和支座的最大弯矩，考虑抗拔桩对地下室底板有利时跨中和支座的最大弯矩分别为811 kN·m 和180 kN·m ；不考虑抗拔桩对地下室底板有利时跨中和支座的最大弯矩分别为824 kN·m 和200 kN·m 。从弯矩的计算结果来看计算配筋的差异并不大，但从目前民用建筑来看，地下车库的面积越大，考虑抗拔桩对地下室底板有利对结构底板配筋的影响越大。
5.2 抗浮桩按不同刚度计算时计算结果做对比
现对考虑抗拔桩对地下室底板有利和不考虑的计算结果做对比，如（表2） 所示。
从计算结果可见，抗浮桩刚度变化会影响楼板内力变化，随着抗浮桩桩身刚度的增大，楼板的内力也会减小，反之则增大。在满足竖向抗压承载里的前提下，当地下室采用刚度较大的工程桩时，地下室底板的配筋能够减小。从而能提高底板的经济性。
6、结论
本论文分析了水浮力作用下考虑抗浮桩对地下室底板的有利作用和不考虑抗浮桩对地下室底板的有利作用的结构内力。得出如下结论：
1） 虽然考虑抗拔桩对地下室底板有利时， 采用SAP2000 和ABAQUS 两个软件进行分析，但两个软件的有限元分析结果误差不大于5%。说明分析结果的可靠性得到保证。
2） 虽然从计算结果来看考虑抗拔桩对地下室底板有利的计算位移量大于不考虑的，但是两者的计算位移的差值是接近的。
3） 从弯矩的计算结果来看计算配筋的差异并不大，但从目前民用建筑来看，地下车库的面积越大，考虑抗拔桩对地下室底板有利对结构底板配筋的影响越大。
4） 抗浮桩刚度变化会影响楼板内力变化，随着抗浮桩桩身刚度的增大，楼板的内力也会增大，反之则减小。在满足竖向抗压承载里的前提下，当地下室采用刚度较小的工程桩时，地下室底板的配筋能够减小。从而能提高底板的经济性。
参考文献
[1] 孙仁范，刘跃伟，徐青，蔡军，魏琏.带地下室或裙房高层建筑抗浮锚杆整体计算方法[J].建筑结构，2014，06；P27-30.
[2] 罗旭.抗拨桩对地下结构受力的影响[J].广东土木与建筑，2014.05；P17-19.
[3] 东南大学，同济大学，天津大学.混凝土结构（中册）：混凝土结构与砌体结构设计[M].5 版.北京：中国建筑工业出版社，2012.
