摘要：城市地下建筑物的抗浮问题是地下结构设计的重要方面之一。抗浮锚杆因具有造价低廉、施工方便、受力合理等优点，在抗浮措施中得到了广泛的应用。但锚杆的布置方式有很多种，有均匀布置，有在竖向构件下集中布置；常规布置对一般板跨影响较小，但对大跨度底板需要根据刚度均匀分配布置锚杆，本工程是采用sap2000计算分析后，得到了大跨度底板的锚杆最优的布置方式，做到了最经济，锚杆利用最充分。
城市地下建筑物的抗浮问题是地下结构设计的重要方面之一。抗浮锚杆因具有造价低廉、施工方便、受力合理等优点，在抗浮措施中得到了广泛的应用。本文以一个商业建筑的地下室抗浮设计为例，利用常用的结构计算软件进行了整体抗浮和抗浮锚杆的设计，并对抗浮锚杆的合理布置进行了探讨和研究。
工程情况
某商业工程，总建筑面积16000㎡，地上2层，地下3层，设计高度地上13m，地下11m。地下层主要为基坑及设备用房，层高分别为4米、3米、3米。基坑深11米。
地下室采用片筏基础形式，因地下室自重不能平衡地下水浮力，在两个23mx23m的基坑区域的筏板底设置抗浮锚杆。
场地地质情况
场地为丘陵地貌，场地内地势变化呈北高南低，最大高差28m左右。在钻探深度范围内揭露土层有粉质粘土层，下卧基岩为第三系泥质粉砂岩。场地岩土层的组成及分布情况自上而下分布如下：
粉质粘土：黄褐色，可塑-硬塑状，局部分布，层顶标高24.27～45.34米，层厚1.20～4.70米。
全风化泥质粉砂岩：紫红色，全场分布，层顶埋深1.20～4.70米，层顶标高21.02～43.57米，层厚0.50～3.80米。
强风化泥质粉砂岩：紫红色，粉砂质结构，厚层状构造，泥质胶结。全场分布，层顶埋深3.00～7.60米，层顶标高18.78～41.77米，层厚1.50～3.80米。
中风化泥质粉砂岩：紫红色，粉砂质结构，厚层状构造，泥质胶结。全场分布，层顶埋深5.50～10.40米，层顶标高16.28～39.27米，未钻穿，揭露层厚8.60～24.40米。
锚杆抗拔试验
本工程地基基础设计等级为乙级。根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）的规定，对设计等级为乙级的基坑工程，锚杆的轴向拉力特征值可按物理参数或经验数据设计，现场试验验证。
根据现场的情况，对6根锚杆进行了抗拔试验。锚杆均为永久性抗浮锚杆，直径180mm，长度6m。单根抗拔锚杆抗拔承载力特征值预估228KN，试验锚杆要求做破坏试验，但若极限达到660KN则可不再继续加载。
采用RS-JYB静载荷测试分析系统进行加卸载。每级加、卸载稳定后，在观测时间内测读锚头位移不少于3次。在每级荷载的观测时间内，当锚头位移增量不大于0.1mm时，施加下一级荷载；否则延长观测时间，并每隔30min测读锚头位移1次，当连续两次出现1h内的锚头位移增量小于0.1mm时，施加下一级荷载。
锚杆试验中遇下列情况之一时，终止继续加载：
从第二级加载开始，后一级荷载产生的单位荷载下的锚头位移增量大于前一级荷载产生的单位荷载下的锚杆位移增量的5倍
锚头位移不收敛
锚杆杆体破坏
根据现场试验资料，得出荷载-位移曲线（即Q-s曲线）。由Q-s曲线可确定出每根抗浮锚杆的极限承载力。如表21所示。
表21试验结果汇总表
锚杆
编号 轴力标准值
Nk(KN) 抗拔承载力检测值
(KN) 最大上拔量
(mm) 最大回弹量
(mm) 回弹率
(%)
试桩1# 456 712 9.57 4.50 47.02
试桩2# 456 712 4.49 1.81 40.31
试桩3# 456 712 5.40 1.91 35.37
试桩4# 456 712 9.13 3.86 42.27
试桩5# 456 712 8.86 3.92 44.24
试桩6# 456 712 7.88 3.38 42.89
锚杆的极限抗拔承载力在712KN试验荷载下未出现上述的终止加载情况，故取终止加载时的荷载值，即均为712KN。参加统计的试验锚杆，满足其极差不超过平均值的30%，故取其平均值为锚杆极限承载力标准值，即为712KN。
抗浮设计
抗浮设计包括两个方面：第一，整体抗浮验算。第二，局部抗浮验算。本工程主要是针对底板进行锚杆设计和布置。
整体抗浮计算
根据结构自重和水浮力是否平衡进行整体抗浮验算。提取主体结构PKPM软件的计算结果：
地下室平面投影范围内的结构自重（除底板）为68551KN；底板自重为27460.576KN。另外特种设备基础重1948.367KN。加和这三项的结果为结构自重97959.943KN。
±0.00标高28.50m，抗浮水位标高23.00m，考虑1.05安全系数进行水浮力计算。水浮力总计93220.567KN。
93220.567KN＜97959.943KN，整体抗浮满足要求。
局部抗浮验算
目前大多数工程采用的局部抗浮验算方法为：计算单根锚杆的抗拔承载力特征值作为集中荷载，乘以锚杆数量即为锚杆提供的抗拔力。由上部结构自重减去水浮力即为需要的抗拔力。前者大于后者即可。
采用此种方法计算的需要的抗拔力为4739.376kN。
目前各规范规程对于锚杆杆体的横截面积计算方法不尽相同。现采用较为保守的一种计算方法对锚杆截面面积进行计算：
式中A—抗拔锚杆钢筋活预应力钢绞线横截面面积
Ntd—荷载效应基本组合下的锚杆轴向拉力设计值
Rt—单根锚杆抗拔承载力特征值
Rk—单根锚杆抗拔极限承载力标准值，根据抗拔试验确定
K—安全系数，可取2.0
fy—钢筋或预应力钢绞线的抗拉强度设计值
2—锚筋抗拉工作条件系数，永久锚杆取0.69
每根锚杆采用锚筋3?28（HRB400钢筋），As=1847mm2。反算Rt2=339KN。单根锚杆抗拔承载力特征值按339KN计算。
如果按照目前常用的计算方法，所需锚杆根数为4739.376/339=13.9根，取为14根。
但是此方法对于跨度较小的板较为精确。对于跨度较大的板，由于跨中挠度较大，这种计算方法不尽合理。主要原因是该计算方法将板考虑为完全刚性的结构。本工程底板跨度约为20米，底板跨度较大。现采用SAP2000进行锚杆布置分析：
采用SAP2000壳单元模拟墙、板结构，底板厚度800mm，墙厚650mm（如图31）。采用剖分功能将壳单元划分为不大于2mx2m的有限元计算单元，并施加边束缚保证单元之间变形协调。由于整体抗浮满足设计要求，墙周边采用固定支座。采用弹簧模拟锚杆作用。弹簧刚度按照锚杆试验平均结果计算：
根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）规定，地下水浮力属于可变荷载，结构自重属于永久荷载，则荷载效应组合的设计值应根据其最不利荷载组合确定。
采用以下三种锚杆布置形式进行分析：
布置一：
锚杆均匀分布在整块底板上。横向间隔4米，竖向间隔6米。单侧布置20根锚杆。以左侧锚杆为例，锚杆受力情况。外圈锚杆受力很小，中心锚杆受力远远超过单根锚杆抗拔承载力特征值339kN。
布置二：
相对于布置一较为集中布置。横向和竖向间隔均为3米。由于角点处锚杆受力很小，去掉四个角点处锚杆。并增加一排锚杆保证x，y两个方向布置相同。单侧布置21根锚杆。
以左侧锚杆为例，锚杆受力情况。外圈锚杆受力明显提高，中心锚杆受力明显下降。锚杆整体受力偏向均匀。但是还有少量锚杆超过单根锚杆抗拔承载力特征值。
布置三：
相对于前两种布置形式更为集中。横向和竖向间隔均为2米。采用梅花型交错布置方式。单侧布置19根锚杆。
以左侧锚杆为例，锚杆受力情况。所有锚杆拉力均小于抗拔承载力特征值且锚杆整体受力非常均匀。
根据《建筑地基基础设计规范》规定，锚杆水平方向间距不宜小于1.5米。但是锚杆布置过于集中将会产生群锚效应。
根据软件计算结果，底板内计算点最大位移3.4mm。该布置方案不仅降低了板跨中挠度，同时也减小了锚杆数量。布置三的方案属于最优方案。
结语
抗浮锚杆作为一种常用的抗浮措施，对其进行合理计算和布置优化十分重要。对于无需考虑整体抗浮但是底板跨度较大的结构，锚杆分散布置将会使底板受力不均，导致中心锚杆受力过大。集中布置锚杆能明显改善锚杆的受力效果。传统的锚杆计算方法未考虑底板的弹性变形，计算所得锚杆数量偏少。应采用有限元软件和传统计算联合分析以确定最优方案。
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