基础工程抗浮设计1 基础工程抗浮设计概述（1）规范的规定《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：1 对于简单的浮力作用情况，基础抗浮稳定性应符合下式要求：Gk/Nw,k≥Kw (5．4．3)式中：Gk——建筑物自重及压重之和(kN)；Nw,k——浮力作用值(kN)；Kw——抗浮稳定安全系数，一般情况下可取1.05。
2 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。
抗浮设计验算内容包括：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。
软件在【基础计算及结果输出】【文本结果】【抗浮稳定性验算】中输出筏板基础的整体抗浮验算验算结果。
防水板基础目前不能进行整体抗浮验算，可以改为筏板来完成验算。
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。
（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）当前抗浮设计流行方法及存在问题1）当前抗浮设计流行方法抗浮设计本质是桩抗拔和板弯曲共同作用，但是当前抗浮设计流行采用抗拔桩和筏板/防水板分离设计的方法。
抗拔桩设计抗拔桩布置基本采用人工方法，人工粗略测算桩数量及布置，常见的做法有：1）锚杆均匀布置（总的水浮力设计值－底板及上部结构自重标准值）/单根锚杆设计值＝所需锚杆根数。
具体做法：将锚杆均匀分布在底板下（连柱底或砼墙下），锚杆间距用底部面积除所需锚杆根数确定。
该种设计方法最粗放，适用于上部结构荷载比较均匀情况。
另外锚杆数目相同情况下，均匀布置安全系数最低。
2）分区域均匀布置有些设计者考虑到上部荷载的不均匀，在锚杆布置时按区域的荷载差值求解锚杆数量，然后分区域均匀布置锚杆。
这比第一种做法有所改进，设计者以区域为分析对象，按（区域的水浮力设计值－区域的底板及上部结构自重标准值）/单根锚杆设计值＝所需锚杆根数。
区域的划分粗细不同，具体有几种处理方法：（1）以裙房/主楼为区域经常是裙房抗浮不足而均匀布置锚杆。
（2）以柱墙相关范围为区域计算时按倒楼盖模型计算每个柱墙位置在水浮力作用下的支座反力作为相关范围的水浮力大小，减去柱墙的上部荷载，估算锚杆数量，锚杆多布置在柱墙附近。
（3）房间为对象，把房间分墙柱下区、跨中区。
柱墙下区域范围按上部荷载与水浮力自平衡求解。
跨中区认为是纯水浮力作用区，按区域内水浮力和自重荷载差求解锚杆数量并均匀布置在跨中区。
筏板/防水板多使用楼板计算模块，采用柱墙位置为竖向不动支座假定的倒楼盖计算模型计算板内力及配筋。
2）当前抗浮设计存在的问题基础抗浮应考虑上部结构、基础、桩土的共同作用进行整体有限元内力分析和设计。
而当前抗浮设计中这种抗拔桩与基础分离、分别采用简化方法进行设计的做法，只能适应上部荷载均匀的简单情况，存在较多问题。
抗拔桩设计前述的锚杆均匀布置、分区域均匀布置都有一定的适用性，是抗拔桩的初步设计阶段的基本方法。
但是其缺点是此类方法只能用于初步设计阶段，因为只能进行桩数量估算和布置，不能精确分析上部结构、基础刚度及荷载分布对桩抗拔力的影响。
无可靠的桩抗拔承载力验算，不能确保桩的抗拔安全性，也无法提供进一步的抗拔桩优化布置和设计功能。
筏板/防水板抗浮组合荷载作用下，筏板/防水板的柱墙下是存在竖向位移的，竖向位移值与上部结构刚度、基础刚度、桩土刚度及荷载分布都是有直接关系的，而且往往各柱墙下的竖向位移是不一致的。
传统的柱墙位置为竖向不动支座假定的倒楼盖计算模型计算板内力，将忽略存在的支座位移差，其效果是只考虑局部弯曲作用，整体弯曲明显情况下会偏于不安全。
特别是如果抗拔桩设计不当甚至未考虑局部抗浮不足没有设置抗拔桩情况下，倒楼盖计算模型会严重失真导致严重的工程事故。
2 抗浮设计方法从线性分析到非线性分析（1）基础工程的非线性特点基础工程的非线性主要源于边界条件的非线性：1）土只能承担压力，不能承担拉力；2）普通桩、抗拔锚杆等拉压刚度不同，差异很大。
以受水浮力作用加抗拔锚杆的平筏基础为例，见下图：一般情况下，如果没有水浮力，整个筏板下的地基处于受压状态；如果水浮力比较小，地基压力会减少，但是仍然会处于整体受压状态。
这个时候土起到支撑作用，抗拔锚杆不起作用，见下图：随着水浮力增大，部分区域的筏板会出现上拱效应，上拱区域的土将失去支撑作用，该区域的抗拔锚杆将起拉杆作用，见下图：（2）基础工程的计算分析技术1）单模型线性分析方法不考虑变形后结构是处于受拉或者受压状态，不区分抗拉和抗压刚度，用线性弹簧来模拟桩土对基础构件的支撑作用。
流行的基础设计软件多采用该方法进行基础工程计算分析，该模型适用于计算整体基础处于受压状态的工况组合，比如恒活工况组合。
存在的问题是不能合理计算高水工况，不能计算抗拔锚杆构件等。
2）多模型的线性分析方法为了解决抗浮设计问题，过去多采用多模型技术计算抗浮组合下的筏板/防水板内力。
具体来说：对于高水工况，假定结构整体处于受拉状态，桩（包括锚杆）采用抗拉刚度进行计算，忽略土的刚度，采用了倒楼盖的计算模型；对于其他工况，假定结构整体处于受压状态，桩（包括锚杆）采用抗压刚度进行计算，考虑土的刚度；同时在含高水组合工况的内力叠加时，不是直接叠加，是采用高水工况部分与其他工况部分的包络取大。
此种计算方法目前还是主流设计方法，比如设计师自行采用楼板模块自己构建倒楼盖计算模型进行防水板设计、采用YJK基础的防水板构件进行设计或YJK基础的筏板采用线性分析方法进行抗浮设计时都是采用类似的处理方法。
如前所述，该方法将忽略实际存在的支座位移差，其效果是只考虑局部弯曲作用，整体弯曲明显的情况（支座位移差大）下会偏于不安全。
3）拉压刚度不同弹簧的非线性分析方法更合理的计算模型应该是能够考虑上部基础桩土共同作用、能考虑支座位移差的分析模型，即：不能按单工况计算，组合工况叠加或者包络设计，而是按组合工况（比如1.2恒+1.4活-1.2高浮）作用进行实际受力状态计算；考虑结构的实际变形，对于处于受压状态的部分，桩（包括锚杆）采用抗压刚度进行计算，考虑土的刚度，而对于处于受拉状态的部分，桩（包括锚杆）采用抗拉刚度进行计算，忽略土的刚度；分析方法上，要采用迭代的非线性计算方法。
3 非线性分析在YJK基础软件中的实现和应用（1）基础工程中进行非线性分析的必要性在基础工程中：1）土只能承担压力，不能承担拉力；2）普通桩、抗拔锚杆等拉压刚度不同，差异很大。
所以如果土或者桩出现了部分受拉的情况，就应该考虑土桩抗拉\抗压刚度不同的非线性迭代计算方法进行分析和设计。
非线性本质要求不能使用叠加原理，所以不能按单工况分别计算，然后荷载组合通过效应叠加的方法。
应该在荷载组合后，考虑结构的实际变形，对于处于受压的区域，桩（包括锚杆）采用抗压刚度进行计算，考虑土的刚度；而对于处于受拉的区域，桩（包括锚杆）采用抗拉刚度进行计算，不能考虑土的刚度。
所以要采用迭代的非线性计算方法。
（2）需要进行非线性分析的情况及软件实现如果地基土或者桩出现了部分受压部分受拉的情况(如下图)，就应该通过考虑土桩抗拉抗压刚度不同的非线性迭代计算方法进行分析。
从实际工程角度来看，需要进行非线性分析的最常见情况包括：1）进行人防设计的工程；2）抗浮设防水位比较高的工程；3）上部结构荷载特别不均匀的工程；4）较大水平力荷载的工程；软件默认对含高水的组合、含人防的组合采用非线性分析方法，用户可以自定义工况组合的分析属性。
（见【基础建模】【参数设置】或者【基础计算及结果输出】【计算参数】中的【水浮力，人防，荷载组合表】），见下图：软件在【基础计算及结果输出】【文本结果】【组合工况上抬检验】会给出各工况组合是否需要进行非线性分析的建议。
用户可以在完成基础计算分析后，点击查看。
（3）基础工程中进行非线性分析的注意事项在非线性分析中，为了准确得到分析结果，需要：1）考虑上部结构刚度；因为只有考虑了上部结构刚度，才能正确模拟在高水组合或者人防组合作用下的变形和柱墙对基础的支撑作用。
2）合理设置桩土刚度系数。
由于地基土的基床系数软件默认是只抗压不抗拉的，所以不需要指定抗拉刚度为0。
对于桩，软件默认是按承载力设计值/允许位移（10mm）估算初始抗拔刚度。
但是如果有抗拔试验得到的抗拔刚度，可以交互指定桩的刚度。
最常见的是抗拔锚杆，可以利用【桩定义修改桩刚度】功能指定抗拉刚度值，并指定抗压刚度为0。
对于普通桩，如果不考虑其抗拔作用，可以修改其抗拉刚度为0；如果考虑其抗拔作用，指定一个抗拉刚度值。
另外，非线性分析方法由于不适用叠加原理，所以不适用于：1）基于二阶段分析的带防水板的工程，会自动按线性分析进行计算；2）设置后浇带的工程，抗浮设计会忽略后浇带的影响，按无后浇带模型进行计算。
4 防水板进行抗浮设计的特点带防水板基础工程的设计要点可以参考第10章“带防水板基础设计”的内容。
软件对带防水板基础工程自动进行二步计算：第一步计算将柱底、墙底作为支撑防水板的竖向不动支座（基础本身为弹性支承），对防水板进行有限元计算和配筋计算。
如果防水板内有地基梁，将地基梁作为支撑防水板的弹性支座，地基梁按照有限元交叉梁体系进行计算和配筋；第二步计算非防水板基础，如独立基础、桩承台等，此时考虑防水板传递过来的荷载效应。
带防水板基础工程的特点，可以总结如下：（1）防水板本身的计算采用倒楼盖计算模型第一步计算防水板的内力时采用柱墙下竖向不动的倒楼盖计算模型，其计算结果只包括防水板的局部弯曲效应。
其计算模型会将防水板中的其他基础（独基、筏板、承台）作为防水板加厚部位，考虑地基梁、桩的刚度贡献，见下图：（2）其他基础设计可考虑防水板传来的向上的水浮力的影响软件设置两个参数控制防水板对其他基础的影响（见下图）：1）含高水组合是否考虑防水板的影响，通过参数【底板抗浮验算（增加抗浮组合）】控制，需要勾选。