防水板的结构设计

【摘要】随着计算机技术和有限元分析技术的发展，有限元计算分析已经广泛应用于工程设计领域，防水板的计算也可以采用计算机进行有限元分析。本文通过分析抗浮锚杆抗拔刚度和防水板厚度的关系，得出抗浮锚杆抗拔力的取值方法以及在抗浮锚杆作用下防水板抗浮荷载的取值方法，其中抗浮锚杆刚度的确定尤为重要，合理的确定抗浮锚杆的抗拔刚度，在结构安全和建筑工程造价的控制上有重要意义。

【关键词】防水板；抗浮锚杆；有限元；抗拔刚度。

1、防水板的受力特点

独立基础加防水板这种基础形式具有良好的经济性，并且传力简单，在实际工程中的应用越来越广泛。其计算假定为独立基础承担全部上部结构荷载，防水板只用与抵抗地下水浮力，不承担地基反力[1]。计算的时候，独立基础和防水板分别单独计算。

通常情况下，作用在防水板上的荷载有：地下水浮力 、防水板自重G以， 为底板面积。建筑物的在使用过程中，根据水位的不同，防水板的受力情况可分为以下三种情况：

1）当 时，建筑物的全部重量将由独立基础全传递给地基。

2）当 且未采取其他抗浮措施时，防水板对独立基础的地基反力有一定的分担作用，此时基础的地基反力减小，减小部分的地基反力以水浮力的方式作用于防水板板底，在防水板板跨较大或者抗浮水头较高的情况下，将会对独立基础的底部剪力和弯矩有放大的作用。

3）当 同时采取其他抗浮措施（假设抗浮措施为设置抗浮锚杆）时，防水板对独立基础的地基反力同样有一定的分担作用，此时基础的地基反力减小，减小部分的地基反力以水浮力的方式作用于防水板板底以及抗浮锚杆。

在独立基础加防水板这种基础形式中，由于水浮力的作用，防水板将水浮力传递给独立基础，减小了基底反力，同时由于独立基础作为防水板的支座，防水板将会传递由于地下水产生的弯矩和剪力给独立基础，增加了独立基础的弯矩及剪力值。

2、防水板的设计方法

防水板通常情况下可以简化成四角支承在独立基础的双向板，受力方式类似于板柱结构，而独立基础则可以近似认为是柱帽，计算方式上防水板和板柱结构也有相通之处。因此，防水板的计算方法也可采用板柱结构中无梁楼盖双向计算的经验系数法，将防水板划分为柱下板带和跨中板带。随着计算机技术和有限元分析技术的发展，防水板的计算也可以采用计算机进行有限元分析。

在分析独立基础的受力情况时，合理考虑防水板浮力对独立基础的影响，是独立基础计算的关键，在工程设计中可采用包络设计的原则，按以下方法计算：

2）当 >G且未采取其他抗浮措施时，防水板对独立基础的地基反力有一定的分担作用，此时基础的地基反力减小，减小部分的地基反力以水浮力的方式作用于防水板板底，防水板将会传递剪力和弯矩给独立基础。

通过分析发现，在独立基础加防水板基础中，独立基础和防水板不一定同时由相同的荷载效应组合起控制作用，如：防水板通常由水浮力控制的效应组合设计，独立基础则按由永久荷载效应控制的组合设计，两者采用不同的荷载效应组合设计值，而在独立基础的设计中又离不开防水板传来的荷载，因此，在独立基础加防水板基础的设计中，要严格分清荷载的不同效应组合是有困难的，同时从工程设计的角度去看也是不必要的。从工程设计的实际出发，采用适当的包络设计方法，其结果相差不大，故可以按各自的最不利情况计算。

3、抗浮锚杆刚度的研究分析

从理论上说，不管采用“压”还是“拉”的方法抵抗水浮力，水的浮力是均匀作用在底板上，而结构抗浮力作用（除底板自重外）都具有不均匀性，并不是在整个地下室底板区域均匀分布的，可能是集中在一个点上（即柱、桩和锚杆）或一条线上（即墙、梁），因此，分析其传力途径尤为重要。

由于与柱、墙相连的梁板一定范围内具有一定的刚度，水浮力可直接与上部结构自重平衡，而上部自重很难传递至远离梁、柱、桩、墙的区域。因为，中间区域的锚杆实际受力不会是减去上部自重的水浮力，上部建筑自重是集中在一个点（即柱）或一条线（即墙、梁）上的，要达到将自重均匀分布到底板上的假定，底板必须具备两个条件，一是完全按自重抗浮，底板的梁板采用倒置楼盖计算，保证水浮力传至柱上或墙上，二是做到底板刚度无穷大，才有可能将点线作用力均匀分布与锚杆共同抗浮。

在实际工程中，墙、梁影响区域和纯底板抵抗区域和防水板的刚度、抗浮锚杆的刚度有很大关系，不同的柱网、不同的板厚以及不同的地质情况对墙、梁影响区域和纯底板抵抗区域的范围确定都会造成不确定性。

因此，确定抗浮锚杆的刚度显得尤为重要，根据成都部分地区抗浮锚杆抗拔试验的P～S曲线，初步统计可得到抗浮锚杆抗拔刚度的标准值的范围基本在35000kN/m～45000kN/m之间。

采用有限元对抗浮锚杆及防水板进行内力分析，取防水板厚度分别为250mm和500mm，抗浮锚杆的抗拔刚度分别为35000kN/m、40000kN/m以及45000kN/m进行有限元计算分析，分析结果如表3-1：

表3-1有限元分析结果

防水板厚

度（mm） 抗拔刚度

（kN/m） 抗浮力（kPa） 锚杆最大反力（kN） 板底最大弯矩

（kN m）

板面最大弯矩

（kN m）

支座最大剪力

（kN）

40000 116 315 1530 -118 711

40000 116 160 1745 -171 617

因此，抗浮锚杆刚度的确定尤为重要，合理的确定抗浮锚杆的抗拔刚度，在结构安全和建筑工程造价的控制上有重要意义。但由于现阶段抗浮锚杆刚度的确定与工程地质情况、施工质量都有关系，所以抗浮锚杆的刚度一般都是通过经验积累以及抗拔试验来确定。

除了通过经验或试验数据确定抗浮锚杆刚度，还要通过增大抗浮防水板的刚度来协调抗浮锚杆所承受的抗拔力，即首先计算出需要的抗浮锚杆的数量，然后确定抗浮锚杆所承担的等效均布荷载，再用底板承受的水压力（扣除防水板以及防水板以上的永久荷载）减去抗浮锚杆所承担的等效均布荷载（其中对该荷载需要乘以0.7）的折减系数，才得到地下室底板抗浮设计的荷载，即提高的防水板的承载能力和变形能力，以协调抗浮锚杆群承受的荷载。

4、独立基础加防水板的构造措施

根据独立基础加防水板这种基础形式的受力特点是独立基础承担全部的结构荷载，同时承担由防水板传递的剪力和弯矩，防水板只承担水浮力。所有的计算均在此假定成立的情况下进行。由于基础在上部荷载作用下会有一定变形，独立基础和防水板为现浇整体性基础，独立基础发生变形的同时，防水板也会由于变形而承担地基反力，为确保防水板不承担或者只承担少量的地基反力，防水板下应设置软垫层。软垫层除了有一定的变形能力外还应具有一定的承载能力，至少应能承担防水板混凝土浇筑时的重量及其施工荷载，并确保在混凝土达到设计强度前不会产生过大的压缩变形。

在工程设计中软垫层的做法大致有一下几种：

1）在防水板下设置炉渣垫层，、最近几年来，由于炉渣在市场上的供应量逐步减少，且价格较高，在实际工程中的应用越来越少。

2）在防水板下设置粗砂垫层，粗砂的采购较为容易，经济性也比较好，使用比较广泛。但是，粗砂在施工过程中成型难度比较大，容易受扰动。

3）在防水板下设置聚苯板，、由于聚苯板来源稳定、施工方便快捷且价格低廉，在工程中获得比较满意的技术和经济效益。

在防水板的设计中，软垫层的设置关系到独立基础加防水板的计算假定是否成立受力是否合理，垫层的如“软”是相对的。，的铺设范围为防水板板底满铺但应扣除独立基础的范围。

防水板的集水坑、变标高以及变板厚的做法可参照《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》（独立基础、条形基础、筏形基础及桩基础）11G101-3图集。

5、结语

独立基础加防水板这种新型的基础形式现阶段在相关结构设计规范中并未列出，上述结构做法的设计原则和构造措施均为成都地区实际工程经验的总结和体会，读者可在具体的设计过程中参考。