全長(zhǎng)壓力型后張預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

譚光宇， 蔣耀華， 方偉明， 高明宇， 李 娜， 史鋒濤， 王宇贊， 肖龍君

(中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 長(zhǎng)沙 410007)

1 規(guī)范對(duì)裂縫控制的規(guī)定

抗浮錨桿處于地下水、土壤直接接觸的環(huán)境中，且水位可能頻繁變動(dòng)，甚至具有一定的腐蝕性，抗浮錨桿的耐久性存在問(wèn)題。限于抗浮錨桿耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范的缺失，抗浮錨桿的耐久性設(shè)計(jì)一直被工程設(shè)計(jì)人員忽視，這給地下工程帶來(lái)了很大安全隱患[1]。

《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 476—2019)[2]第7.5.8條對(duì)抗浮錨桿錨固體裂縫設(shè)計(jì)做出了明確規(guī)定：1)抗浮設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)的工程，按不出現(xiàn)裂縫進(jìn)行設(shè)計(jì)，在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下錨固漿體中不應(yīng)產(chǎn)生拉應(yīng)力;2)抗浮設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)的工程，按裂縫控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下錨固漿體中拉應(yīng)力不應(yīng)大于錨固漿體軸心受拉強(qiáng)度。

根據(jù)上述規(guī)定，對(duì)于抗浮設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)和乙級(jí)的工程，應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿才能滿(mǎn)足裂縫控制的要求。但是，預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿在工程中很少應(yīng)用，且其施工存在一定程度的困難。

2 預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿施工存在的困難

在錨桿中施加預(yù)應(yīng)力對(duì)裂縫控制具有天然的優(yōu)勢(shì)。但是近二十年以來(lái)，很少采用預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿[3]。究其原因在于預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿存在一些問(wèn)題，具體如下：

(1)張拉反力

邊坡或基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿的張拉反力由腰梁、支護(hù)樁等傳遞到土體。但是在地下室抗浮錨桿設(shè)計(jì)時(shí)，只有墊層或地下室底板。墊層下的土體承載能力往往不高，而且施工過(guò)程中容易被擾動(dòng)，降低了抗浮錨桿的承載能力，因此抗浮錨桿的張拉反力很難由墊層承擔(dān)。若采用地下室底板來(lái)承擔(dān)張拉反力，由于預(yù)應(yīng)力筋屬于后張法施工，因此需在地下室底板中預(yù)留張拉的孔洞。由于地下室底板有較高的防滲漏要求，此孔洞在壓力水頭作用下，即使采用注漿工藝，也很難滿(mǎn)足防滲漏的要求(圖1)。

圖1 預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿底板上張拉的示意圖

(2)底板防滲

地下室底板要滿(mǎn)足正常使用條件下的防滲漏要求。預(yù)應(yīng)力錨具既要能滿(mǎn)足鋼筋張拉的要求，也不應(yīng)破壞地下室底板的完整性，否則難以滿(mǎn)足底板防滲的要求。

(3)張拉工序

相對(duì)于普通鋼筋錨桿，預(yù)應(yīng)力錨桿增加了一些工序，如預(yù)應(yīng)力筋的PVC套管、鋼絞線(xiàn)張拉鎖定等工序。且預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)張拉時(shí)，對(duì)錨桿桿體混凝土強(qiáng)度有一定要求。這些工序的增加，難免對(duì)工期、造價(jià)產(chǎn)生一定的影響。

3 預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿創(chuàng)新方案

為解決第2節(jié)中的問(wèn)題，筆者推薦采用全長(zhǎng)壓力型后張預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿。此方案通過(guò)在錨桿頂端設(shè)置預(yù)應(yīng)力傳遞裝置及錨固件，將地下室底板受到的水浮力傳遞給錨桿；在預(yù)應(yīng)力傳遞裝置上張拉預(yù)應(yīng)力筋并鎖定，由錨桿桿體作為張拉反力的支撐(圖2)。通過(guò)全長(zhǎng)配置PVC套管的無(wú)粘結(jié)鋼絞線(xiàn)，將張拉力傳遞給錨桿底部的錨固端板和錨具，使得錨桿全長(zhǎng)范圍內(nèi)均受壓。

圖2 全長(zhǎng)壓力型后張預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿示意圖

全長(zhǎng)壓力型后張預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿優(yōu)勢(shì)為：1)錨桿桿體為全長(zhǎng)壓力型錨桿，能有效控制裂縫，滿(mǎn)足規(guī)范要求；2)預(yù)應(yīng)力張拉反力由錨桿桿體承擔(dān)，不依靠地下室底板及其下部墊層提供張拉反力支撐點(diǎn)；3)在底板施工前完成預(yù)應(yīng)力筋的張拉鎖定，能確保底板的完整性，對(duì)防滲漏有利；4)預(yù)應(yīng)力傳遞裝置埋置在底板內(nèi)作為預(yù)應(yīng)力筋的張拉平臺(tái)，使預(yù)應(yīng)力筋整段均勻受拉；5)預(yù)應(yīng)力傳遞裝置可作為錨桿在底板內(nèi)的錨固件，從而滿(mǎn)足錨桿在底板內(nèi)的錨固要求；6)用預(yù)應(yīng)力筋替代普通鋼筋，可節(jié)省鋼筋用量72%，經(jīng)濟(jì)性好且節(jié)能環(huán)保；7)錨桿施工完成后，可進(jìn)行防水卷材、鋼筋綁扎施工，待錨桿驗(yàn)收試驗(yàn)完成后，即可張拉鎖定預(yù)應(yīng)力筋，對(duì)工期影響較小。

預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿施工工序與普通抗浮錨桿施工工序基本一致，但增加了預(yù)應(yīng)力筋張拉工序。主要施工工序如下：1)施工地下室底板墊層(為保證錨桿質(zhì)量，錨桿宜在地下室底板混凝土墊層完成后再施工)；2)鉆錨桿孔；3)在鉆孔中置入帶PVC套管和端部錨具的預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，并將注漿管隨筋體一同放入鉆孔；4)澆筑錨桿漿體；5)安裝預(yù)應(yīng)力傳遞裝置及錨固件；6)張拉預(yù)應(yīng)力并鎖定；7)綁扎底板鋼筋，澆筑混凝土。

4 全長(zhǎng)壓力型后張預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿關(guān)鍵技術(shù)

4.1 全長(zhǎng)壓力型錨桿

錨桿分為全長(zhǎng)粘結(jié)拉力型錨桿、拉力型預(yù)應(yīng)力錨桿、壓力型預(yù)應(yīng)力錨桿、擴(kuò)大端錨桿等幾種類(lèi)型。本文采用全長(zhǎng)壓力型后張預(yù)應(yīng)力錨桿，此錨桿由不與灌漿體相互粘結(jié)的帶隔離防護(hù)層的筋體和位于桿體底端的錨固端板及錨頭組成。

全長(zhǎng)壓力型后張預(yù)應(yīng)力錨桿的主要特點(diǎn)，是利用錨桿底部的錨固端板使錨桿受力時(shí)錨固段漿體受壓，并通過(guò)漿體將拉力傳遞給周?chē)貙?。這種全長(zhǎng)壓力型后張預(yù)應(yīng)力錨桿在整個(gè)錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)均受到壓力，對(duì)裂縫控制能發(fā)揮非常好的效果，且防腐蝕性能好，滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)抗浮錨桿耐久性的要求。

4.2 預(yù)應(yīng)力筋選型

在后張預(yù)應(yīng)力構(gòu)件或結(jié)構(gòu)中宜采用鋼絞線(xiàn)。有特殊防腐蝕要求時(shí)，可選用鍍鋅鋼絞線(xiàn)、環(huán)氧涂層鋼絞線(xiàn)等。高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)具有強(qiáng)度高、低松弛、預(yù)應(yīng)力損失占比較小等優(yōu)越的性能，在工程中被廣泛采用。

精軋螺紋鋼筋是在整根鋼筋上軋有不連續(xù)的外螺紋的大直徑、高強(qiáng)度、高尺寸精度的直條鋼筋。其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值高，但預(yù)應(yīng)力損失較大。研究[4]發(fā)現(xiàn)，精軋螺紋鋼筋的有效預(yù)張拉力折減系數(shù)在很多情況下甚至小于0.6，限制了其適用范圍。

綜上所述，選擇高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)作為全長(zhǎng)壓力型后張預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿預(yù)應(yīng)力筋。

4.3 錨桿桿體受壓計(jì)算

對(duì)抗浮錨桿進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)，項(xiàng)目場(chǎng)地難以提供有效的反力作用點(diǎn)。全長(zhǎng)壓力型后張預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿，將反力作用點(diǎn)設(shè)置在錨桿頂端，錨桿張拉時(shí)桿體受壓，需要進(jìn)行錨桿桿體受壓承載力驗(yàn)算。

現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有對(duì)錨桿桿體受壓做出明確規(guī)定。根據(jù)錨桿受力原理，錨桿桿體受壓宜參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)中混凝土軸心受壓樁正截面受壓承載力的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

N≤ψcfcAps

(1)

式中：N為荷載效應(yīng)基本組合下的樁頂軸向壓力設(shè)計(jì)值，取錨桿承載力特征值的1.35倍；ψc為基樁成樁工藝系數(shù)，可取0.8～0.9；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Aps為樁身截面面積，取錨桿桿體扣除預(yù)應(yīng)力孔道的凈截面面積。

錨桿桿體位于土層中，處于三向受力狀態(tài)，這對(duì)其抗壓承載力能發(fā)揮有利作用，可將此作為安全裕量。

4.4 預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)對(duì)錨桿漿體強(qiáng)度的要求

預(yù)應(yīng)力錨桿張拉時(shí)對(duì)錨桿漿體強(qiáng)度有一定的要求，相關(guān)規(guī)范做出了如下規(guī)定：

(1)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)[5]規(guī)定：施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，所需的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度應(yīng)經(jīng)計(jì)算確定，但不宜低于設(shè)計(jì)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)值的75%。

(2)《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 476—2019)和《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50086—2015)[6]對(duì)錨桿張拉時(shí)漿體抗壓強(qiáng)度的要求是一致的，見(jiàn)表1。

錨桿張拉時(shí)漿體混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 表1

根據(jù)以上三部規(guī)范的規(guī)定，并結(jié)合預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿漿體受壓的特點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)張拉時(shí)錨桿漿體抗壓強(qiáng)度宜滿(mǎn)足表1的規(guī)定。

4.5 錨桿頂部局部受壓承載力計(jì)算

對(duì)錨桿桿體施加的預(yù)應(yīng)力將通過(guò)預(yù)應(yīng)力傳遞裝置傳遞給錨桿桿體頂端，因此需要驗(yàn)算錨桿頂部混凝土局部受壓承載力。錨桿頂部混凝土局部受壓承載力可按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)公式計(jì)算：

Fl≤1.35βcβlfcAln

(2)

式中：Fl為局部受壓面上作用的局部荷載或局部壓力設(shè)計(jì)值，可取錨桿承載力特征值的1.35倍；βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)；βl為混凝土局部受壓時(shí)的強(qiáng)度提高系數(shù)；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Aln為混凝土局部受壓凈面積。

錨桿張拉一般在地下室底板墊層施工之后進(jìn)行。錨桿頂部受壓時(shí)，墊層能提供側(cè)向約束，可將此作為安全裕量。

4.6 錨桿底部錨固端板局部受壓計(jì)算

全長(zhǎng)壓力型后張預(yù)應(yīng)力錨桿的預(yù)應(yīng)力筋所受的拉力全部傳遞到錨桿底部的錨固端板上。通過(guò)錨固端板，傳遞給錨桿漿體。由于錨固端板截面面積小于錨桿桿體截面面積，錨桿桿體工作時(shí)實(shí)際上局部受壓。故應(yīng)驗(yàn)算錨桿底部錨固端板的局部受壓承載力。

若不考慮錨桿周邊巖體對(duì)其三向約束的有利作用，可參照4.5節(jié)公式(2)驗(yàn)算。若考慮錨桿周邊巖體對(duì)其三向約束的有利作用，可按《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50086—2015)的公式計(jì)算：

(3)

式中：Nd為錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值；Ap為錨桿承載體與錨固段注漿體橫截面凈接觸面積；Am為錨桿錨固段注漿體橫截面面積；η為錨桿有側(cè)限錨固段注漿體強(qiáng)度增大系數(shù)，由試驗(yàn)確定其取值；fc為錨桿錨固段注漿體軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

需要說(shuō)明的是，按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)的局部受壓公式(式(2))驗(yàn)算錨桿錨固端板局部承壓時(shí)，考慮的是無(wú)側(cè)限灌漿體的抗壓性能，不能反映錨桿工作時(shí)漿體準(zhǔn)確強(qiáng)度。有側(cè)限錨桿漿體抗壓強(qiáng)度增大系數(shù)與錨桿底部漿體周邊巖土彈性模量有關(guān)，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。

4.7 預(yù)應(yīng)力傳遞裝置在底板內(nèi)的抗沖切驗(yàn)算

地下室底板受到的水浮力經(jīng)預(yù)應(yīng)力傳遞裝置傳遞給錨桿，反過(guò)來(lái)錨桿受到的上拔力可能會(huì)對(duì)底板產(chǎn)生沖切破壞(圖3)。

圖3 預(yù)應(yīng)力傳遞裝置上板對(duì)地下室底板沖切示意圖

預(yù)應(yīng)力傳遞裝置上板對(duì)底板抗沖切作用的驗(yàn)算，可按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)受沖切承載力公式驗(yàn)算：

Fl≤(0.7βhft+
0.25σpc,m)ηumh0

(4)

式中：Fl為局部荷載設(shè)計(jì)值或集中反力設(shè)計(jì)值；βh為截面高度影響系數(shù)；ft為混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；σpc,m為計(jì)算截面周長(zhǎng)上兩個(gè)方向混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力按長(zhǎng)度的加權(quán)平均值；η為影響系數(shù)；um為計(jì)算截面的周長(zhǎng)；h0為截面有效高度。

地下室底板由混凝土和鋼筋組成，其雙層雙向配筋無(wú)疑會(huì)對(duì)底板的沖切承載能力產(chǎn)生重要影響[7]。式(4)中未包含配筋率ρ的影響，只是在考慮綜合調(diào)整系數(shù)時(shí)適當(dāng)考慮縱向配筋率的有利作用，這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致實(shí)際抗沖切承載力與計(jì)算值有差異，有待進(jìn)行更深入的研究。

4.8 錨桿初始預(yù)應(yīng)力確定

根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50086—2015)第11.2.5條的規(guī)定，抗浮錨桿初始預(yù)應(yīng)力值的確定應(yīng)考慮錨桿受力、變形及對(duì)基礎(chǔ)底板抗裂的影響，并宜符合下列規(guī)定：1)抗浮錨桿的鎖定拉力值宜為錨桿拉力設(shè)計(jì)值的0.8～1.0；2)對(duì)于處于長(zhǎng)期穩(wěn)定水浮力作用下以及變形控制要求較高的工程，錨桿的鎖定拉力值宜為錨桿拉力設(shè)計(jì)值；3)壓力分散型抗浮錨桿的鎖定拉力值宜為錨桿拉力設(shè)計(jì)值。

(1)甲級(jí)工程抗浮錨桿初始預(yù)應(yīng)力

抗浮設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)的工程，在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下錨固漿體中不應(yīng)產(chǎn)生拉應(yīng)力，并應(yīng)滿(mǎn)足下式要求：

σck-σpc≤0

(5)

通過(guò)式(5)可得：

σcon-σl≥σck

F-σlAp≥Nk

(6)

由式(6)可以推出：

F≥Nk+σlAp

(7)

式中：F為預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿初始預(yù)應(yīng)力；Nk為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下錨桿承擔(dān)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，相應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)為1.0；σl為預(yù)應(yīng)力總損失值；Ap為預(yù)應(yīng)力筋的截面面積。

對(duì)預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿預(yù)應(yīng)力總損失值，目前研究并不充分，宜參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)的規(guī)定取值：對(duì)后張法構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力總損失值取80N/mm2。

(2)乙級(jí)工程抗浮錨桿初始預(yù)應(yīng)力

抗浮設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)的工程，在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下錨固漿體中拉應(yīng)力不應(yīng)大于錨固漿體軸心受拉強(qiáng)度，并應(yīng)滿(mǎn)足下式要求：

σck-σpc≤ftk

(8)

由式(8)可以推出：

σcon-σl+ftk≥σck

F-(σl-ftk)Ap≥Nk

可以得出：

F≥Nk+σlAp-ftkAn

(9)

式中：ftk為錨桿漿體軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；An為錨桿漿體截面凈面積。

5 工程案例

某項(xiàng)目為高層商業(yè)綜合體，地下5層。標(biāo)高±0.000對(duì)應(yīng)的絕對(duì)標(biāo)高為175.20m，地下室底板底面絕對(duì)標(biāo)高為153.40m。根據(jù)地勘報(bào)告，地下室抗浮水位絕對(duì)標(biāo)高173.0m，抗浮水頭19.60m。裙樓及地下室采用獨(dú)立柱基，以中風(fēng)化灰?guī)r為持力層。結(jié)構(gòu)整體抗浮不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，采用預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿，錨桿間距2m×2m(縱向×橫向)。

經(jīng)計(jì)算分析確定：錨桿桿徑250mm，設(shè)計(jì)承載力特征值400kN，入中風(fēng)化灰?guī)r錨固長(zhǎng)度不小于6m。錨桿大樣圖見(jiàn)圖4。

圖4 預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿大樣圖

6 結(jié)論

(1)全長(zhǎng)壓力型后張預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿能滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)錨桿耐久性的要求。

(2)通過(guò)在錨桿頂部設(shè)置預(yù)應(yīng)力傳遞裝置，在預(yù)應(yīng)力傳遞裝置上板張拉，同時(shí)將預(yù)應(yīng)力筋的張拉力傳遞給地下室底板，能解決預(yù)應(yīng)力筋的張拉反力問(wèn)題。

(3)預(yù)應(yīng)力筋張拉之后再澆注地下室底板，保持了底板的完整性，對(duì)地下室底板抗?jié)B有利。

(4)用預(yù)應(yīng)力筋替代普通鋼筋，能發(fā)揮預(yù)應(yīng)力筋強(qiáng)度高的特性，節(jié)能環(huán)保。