[分享]浮力这样破坏地库柱子?

浮力这样破坏地库柱子?

转自公众号：土木吧，作者：王锁军

水浮力威力为何如此之大？

   个人分析供同行们参考。

 一：纯地下车库上浮失稳（见下图）

   当水浮力大于结构重力荷载时，结构失稳上浮，但结构柱受到的最大轴力是其上部竖向荷载之和（而不是水浮力）。因为结构柱的设计承载力远大于结构竖向重力荷载，所以此时只会发生上浮，不会发生图片那样的情况。有人说上部荷载不可能均匀，弯矩不平衡产生剪力造成柱子破坏。但毕竟不平衡弯矩很小不足以产生图片的那种严重的破坏情况，而且即使发生剪切破坏不可能大面积的一边倒的破坏。

    当水浮力小于抗浮力时，更不会发生柱子被压坏的情况，但有可能发生基础防水板局部构件承载力不足（弯、剪、冲）的破坏。

    二：车库周边对称布置高层建筑情况

   这种情况，商业建筑的地下中庭比较常见。

   高层荷载远远大于水浮力，不会发生纯车库那样的整体上浮的问题，但是发生事故的可能性也非常大。

   可以把上图车库想象成高层作为支座的一个空间的结构。虽然不会浮起，但因为水浮力造成的柱子轴力有可能会成倍高于车库重力荷载计算出的柱子轴力。

  比如：一两层地下，埋深9米，覆土1米，柱网8.1X8.1米。

正常计算柱轴力为：(1X1.8+3)X8.1X8.1=315吨，而水浮力为590吨（实际应扣除底板的自重），远远大于计算的轴力（因高层压住不能浮起）。

  这样可能会造成柱子的像灯笼状压溃，但不会发生上述图片均为一个方向的剪切破坏的情况。

  实际柱子除轴力的增加外，也存在很大的剪力，剪力的产生类似于叠合梁之间的分布剪应力（集中到柱子上了），但该剪力不会发生一边倒这样的破坏，即使破坏也应该是从中心向两边成对称（正八字）的剪切破坏（下文另述）。

三：高层相对于地库的无规则的布置

    绝大部分的住宅的地库都是这样的布局，如果在向上的水浮力作用下把高层当成车库空间结构的支座，车库就是一个H型的巨形空间结构，会出现很多的复杂相对与高层的悬挑车库，现在就分析这种悬挑地库的受力。见下图：

   当水浮力大于自重荷载时，因为有高层的压住，所以不会像纯车库那样的漂起。

   把图转一下：

   就像单跨框架或双肢剪力墙结构受到的水平荷载作用。框架结构或剪力墙的中间杆件（框架梁、连梁）受力大家都很熟悉，见下图：

   两个受力机理相同，但不同的是因构件尺度和承担的外荷载不同，造成的破坏形态大不相同，比如框架梁很少发生剪切破坏，而连梁很难避免剪切破坏，这是因为大家熟悉的剪跨比的原因。框架梁剪跨比一般都大于2（抗规规定的框架梁跨度与截面高度之比大于4），而连梁的的跨度与截面之比一般都很小即剪宽比很小（一般小于4），抗规也规定柱子的剪跨比大于2（即高度小于4倍断面的柱子叫短柱）是同样的道理。

   总结起来就是混凝土杆件当长度和断面之比过小时，因剪力产生的弯矩很小，很难产生因弯距形成的塑性弯曲变形，而造成因剪力形成的剪切脆性破坏。短柱、连梁都是这样破坏的。

   在巨大的水浮力作用下的地下室柱子除受到轴力作用下还受到的巨大的剪力。而且一般的地下室柱断面较大而层高较低即所谓的短柱，比如梁下2400净高柱子600时即为短柱，所以不容易发生弯曲变形，而容易发生剪力和轴力作用下的剪切破坏（剪压破坏）。

  剪切破坏的方向也可以分析出来,见下图：

  转成车库的实际方向如下：

   这样方向就更明确了，剪切裂缝一定是朝向车库外端的方向，见下图片。

  单纯从分析可以看出，上面草图中柱子的三个断面均有可能发生剪压破坏（文中开头的图片有的就是在柱中发生破坏），但很可能因为柱底混凝土相对于柱顶比较密实或其它综合原因造成的一般柱顶相对整根柱子来说是最弱的截面，所以发生破坏的截面均几乎在柱顶。

 对比下对称高层布置的情况，车库类似是反向的两端有高层支撑的H形空间结构（见下图）：

   因其底板和顶板的拉压错动会在柱子中产生剪力，但这个剪力相对于同样跨度的悬挑结构要小的多，所以一般不会发生如此严重的事故，即使发生破坏也是以中线向两侧成正八字那样的剪切裂缝，而不是悬挑结构的单边的裂缝。

  我们可以通过建立巨型空间结构的受力分析模型算出因浮力造成柱子的轴力和剪力的数值进行构件承载力计算，但这个计算很难准确，而且构件层面满足承载力要求也很难达到，所以做好的办法还是减小水浮力的影响，比如压重和拉锚杆。

   不过对于两端对称有高层且高层间距很小的情况，车库的因浮力的轴力增加和剪力不大，可以不用另外采取措施，但要分析清楚。

 

 

 四：实例

  我参与处理的一起某城市地下车库的上浮的例子就是一端有高层，因暴雨发生上浮，结果有很多和图片类似的剪切裂缝，但没这个这样严重。在车库与主体钢筋混凝土墙体相连的部位发生了严重的混凝土压溃破坏，墙体、楼板、柱子均有很大的压溃现象，处理起来非常困难。

   知道了这个受力破坏的原因，就可以采用相应的措施了，这个大家都知道，不在赘述。