地下室抗浮破坏现象及原因分析

陆观宏 （博士，教授）

前一段时间，南昌某地下室因抗浮失效破坏，再次引发业内对地下室抗浮破坏的关注，土木吧、校友群都讨论热烈，为什么破坏会发生在柱子且主要发生在柱顶呢？一些专家从“空腹桁架”模型、“拉剪破坏”模型及“反弯点”模型进行分析，但几种分析模型似乎都存在一些局限性，有些问题仍难以解释。本文试图从“多层梁”模型 分析破坏现象，供同行参考，如有不当，欢迎讨论指正。

1. 地下室抗浮破坏现象

地下室抗浮破坏现象主要有：

（1）柱子破坏比较严重，通常发生在柱的两端，且主要发生在柱顶，当具有两层以上地下室，主要发生在最底层；

（2）底板破坏，主要为冲切破坏（例如网上有的小视频反映水从柱脚的四周喷出，就是底板已冲切破坏），有的弯曲变形过大而破坏。

（3）楼板开裂，容易发生于周边第一跨或第一排柱顶附近。

2. 几种破坏模型存在的问题

专家们从“空腹桁架”模型、“拉剪破坏”模型及“反弯点”模型分析地下室抗浮破坏现象，具体如下：

“空腹桁架”模型，假设地下室（这里特指需抗浮设计的地下室）为两端固接在高层建筑地下室的空腹桁架，底板、顶板为弦杆，柱子为腹杆，柱子因空腹桁架整体变形而产生剪力和弯矩，层高范围内剪力相同，轴力近似相等，弯矩最大值在柱的两端。“空腹桁架”模型可解释悬臂式地下室破坏现象，但对两端固定的地下室，因空腹桁架两端是没有位移的，在横向荷载（水浮力）作用下，下弦杆不会产生压缩变形，即不会出现压力，不会形成上拉下压的整体受力效果，与两端或一端可以位移的常规空腹桁架不同。

“拉剪破坏”模型在“空腹桁架”模型基础上，通过分析上弦杆受拉，从而得到柱子容易在柱顶处拉剪破坏的结论。节点会受到拉力影响，但实际工程中，梁柱节点很少破坏，破坏主要发生在柱内（如图1、图2所示）。

   

图1

图 2

“反弯点”模型在“空腹桁架”模型基础上，从上、下弦杆刚度岀发，认为上弦杆刚度比底板刚度大，反弯点在柱中下部，故柱上端比柱下端弯矩大，破坏容易岀现在柱顶。这可能有一定道理，可以用来解释顶板有较厚回填土的单层地下室破坏现象。当地下室为两层及以上，对底层而言，常规设计，底板刚度将大于其顶板。

3. 结构破坏原因分析

3.1结构受力特点及破坏原因

抗浮破坏的地下室，多数为上部荷载不大的结构，柱子的截面尺寸一般不大，且通常不是短柱。

以两层地下室为例，地下室两端为刚度较大的主楼。正如上面所述，这“空腹桁架”两端是没有位移的，在水浮力作用下，下弦杆不会产生压缩变形，不会出现压力，不会形成上拉下压的整体受力效果。事实上，下弦杆、中弦杆、上弦杆相当于三根两端固接的“梁”，“梁”与“梁”之间通过柱子连接，共同承受水浮力，这就是所谓的“多层梁”模型。当水浮力很小时，三根“梁”以受弯为主，通过柱子传递荷载，使三根“梁”共同承受水浮力；当水浮力进一步加大，三根“梁”弯曲加大，下弦杆在水压力作用下，变形曲线近似抛物线，中弦杆及上弦杆由柱传递集中荷载，其变形曲线近似为分段折线，如图3所示。以底层A B 柱为例，柱受力及变形如图4所示：

  图 3

图 4

由图3、图4可见，三根“梁”内不但有弯矩，还出现较大拉力，实际均为拉弯构件。水压力总是垂直构件表面，水压力合力与柱轴线不重合；下弦杆在水压力作用下，变形相对平缓，转角相对小一些；中弦杆受柱集中荷载作用，变形出现“尖角”，尤其是第一跨（即B C 杆、G H 杆），转角相对较大，总的情况是，柱顶处两边横梁的转角之和比柱底处略大（例如，图4中，柱顶处两边横梁的转角之和比柱底处大0 .019 度；随着变形加大，如图6，柱顶处两边横梁的转角之和比柱底处大0 .112 度。当然实际变形没有图示这么大，但这些数据的变化趋势能说明问题）。通过上述分析可见，柱高范围内剪力相同，轴力近似相等，柱两端弯矩大，其中柱顶处的弯矩比柱底处大些。因此，柱子在轴力、弯矩及剪力作用下，其两端容易破坏，且相对更容易发生在柱顶。当柱顶破坏后，由于应力释放，内力重分布，柱脚破坏就相对轻一些。当具有两层及以上地下室，由于轴力被下弦杆、中弦杆分担，传到上部的轴力将逐渐减小，故破坏主要发生在最底层。

当水浮力进一步加大，三根“梁”弯曲进一步加大，如图5所示，柱受力及变形如图 6 所示。

图5

图6

由图3、图5可见，柱所处的位置不同，其两端的转角变形情况不同，柱的内力不同。理论上，在均布水压力作用下，“梁”跨中处的柱子转角最小，向两端逐渐增大，四周第一排柱的柱端转角最大，其弯矩、剪力最大，从图1的柱子破坏情况可以反映这方面的规律性。

随着变形加大，“梁”的拉力增大，柱的两端转动加大，水压力合力与柱轴线的夹角增大，进一步加大柱两端的弯矩。由图3、图 5 可见，第一跨的梁端弯矩很大（ 转角及相对竖向位移很大 ），容易开裂破坏。当第二跨梁板刚度小于第一跨梁板刚度，根据节点位移协调及力学平衡原理，第一排柱柱顶转角会增大，第二跨梁端弯矩也会加大。如南昌商昌天空之城地库，根据官方公布的专家组意见，顶板采用两种现浇结构，主楼及外扩一跨为梁板结构，第二跨及以外为无梁楼盖（带柱帽）结构，顶板、柱帽开裂位置沿无梁楼盖邻近梁板结构的过渡区域的内侧发生。“专家意见”没有描述清楚“过渡区域”是怎么设置的，“过渡区域的内侧”也不知道在什么地方，但楼板开裂肯定是发生于纯地下室四周第一排柱顶节点附近。根据江西建材产品质量监督检测站的检测意见：“4－1 7/D －N范围内地库顶板主要在四周区域（4轴、1 7 轴，D轴、N轴附近）观测到不同程度裂缝”。说明楼板开裂破坏现象与上述分析吻合。

3.2 水浮力不均匀分布及结构破坏多样性

自由水才传递压力，强结合水是不传递压力的，弱结合水则介于两者之间。由于地层不均匀，多数情况下，地下室底板下的土层并不是同一层稳定土体，水浮力不是均布的，这在顾宝和大师的文章“多层地下水的水压力”里也得到论证。

底板变形与结构刚度及结构布置、上部荷载大小及分布、水浮力大小及分布有关。底板变形分整体变形及局部变形，整体变形又分为均匀变形与非均匀变形。因此，地下室破坏有时呈现复杂的多样性。

3.3 当上部结构自重大于水浮力，为什么柱子就不容易破坏呢？

当上部结构自重大于水浮力，底板就只发生局部变形，当柱网比较均匀，水压力变化不太大时，不平衡弯矩引起柱端弯矩及剪力较小，故柱子不容易破坏。

4 . 关于柱子混凝土质量问题的思考

有的网友认为，柱子破坏常常发生于柱顶，与柱顶混凝土质量比柱脚差有关。柱顶混凝土质量比柱脚差的观点，不一定有实测数据支持，可能是认为柱底的粗骨料更富集而推测。事实上，柱子混凝土强度等级一般较高，相对较粘稠，现场振捣时间一般不长，正常操作不应该造成混凝土明显离淅，混凝土在柱内下落过程中受到箍筋的阻拦，柱底也不一定石子明显聚集。相反，由于柱脚模板漏浆及振捣不到位，柱脚混凝土质量可能更差，“烂根”指的就是柱脚混凝土，总体上，柱脚混凝土质量可能更不可控。

5 . 有待解决的一些关键问题

建筑物抗浮设计还有一些关键问题没弄清楚。例如：

（1）抗浮水位在哪？有的规范要求按历史最高水位，但绝大多数场地是不知道“历史”的，相差1m理论上相差10kPa，顾宝和大师也说“更为复杂的是如何确定抗浮设防水位”。

（2）水浮力要不要折减？这也是争论不休的，理论上只有自由水才传递压力，强结合水是不传递的，弱结合水介于之间。

（3）地下室底板受到的水浮力不是均匀分布的，即使勘察时能得到准确的压力水头实测值，也不是设防计算的压力值；地层是不均匀的，地下室底板下的土层常常不是同一层稳定土体，基坑开挖后，有时甚至挖通了潜水层与承压水层，增加了水浮力确定的难度。

6. 小结及建议

本文从结构变形规律出发，认为地下室在水浮力作用下，底板、中板及顶板为固接于塔楼地下室的“梁”，“梁”与“梁”之间通过柱子连接并传递荷载，地下室结构按“多层梁”模型分析，解释了以下几个问题：（ 1 ）地下室抗浮破坏主要发生于最底层；（ 2 ）柱子破坏通常发生于两端，且主要发生在柱顶；（3）顶板（楼板）开裂主要发生于与塔楼地下室相连接的第一跨或第一排柱顶附近。

结构设计时，除按规范进行抗浮设计外，建议：（ 1 ）适当加强四周第一排柱及第一、二跨梁板承载能力；（ 2 ）加强柱端箍筋加密区的体积配箍率，按抗震要求设置弯钩；（ 3 ）加强梁板的通长筋配置。