高层结构地下室底板抗浮冲切破坏及加固方法的数值研究(Numerical Investigation of Anti-Floating Punching Failure and Reinforcement Methods for Basement Slabs in High-Rise Structures)

《Infrastructures》：Numerical Investigation of Anti-Floating Punching Failure and Reinforcement Methods for Basement Slabs in High-Rise Structures

　　

受地下水浮力作用的地下室底板抗浮冲切破坏因复杂应力状态及适用设计指导的缺乏，其机理尚未得到充分理解。本研究以深圳某发生损伤的地下室底板为对象，采用LS-DYNA建立三维有限元模型，混凝土本构采用混凝土损伤塑性模型(Concrete Damage Plasticity, CDP)，模型经现场观测与试验数据验证，预测误差小于8%。结果表明：抗浮冲切破坏由锚固区裂缝萌生发展至损伤扩展并最终穿透；底板厚度由400 mm增至600 mm可显著缓解受拉损伤集中并改善应力重分布；混凝土抗压强度由20 MPa提高至60 MPa可提升抗冲切能力并延迟开裂，但会促使局部脆性破坏；基础承台尺寸由CT-6增大至CT-9可有效降低应力集中并改善整体抗冲切性能，而柱截面尺寸影响有限。对三种加固措施的对比评估进一步揭示了不同工程条件下的各自适用性。本研究阐明了地下室底板抗浮冲切机理，为地下结构的抗浮设计与加固优化提供了理论依据。

论文解读：高层结构地下室底板抗浮冲切破坏及加固方法的数值研究

该论文发表于《Infrastructures》。随着城市地下空间开发不断深入，地下车库、综合管廊等大型地下工程日益增多，受降雨入渗及地下水补给蒸发影响，地下水位呈现显著时空波动，使地下结构长期处于复杂变动的水力环境中。地下水浮力作用下，当结构自重、覆土压力及界面摩阻力不足以抵抗浮力时，易发生整体上浮失稳或局部破坏。相比整体上浮，地下室底板更易发生柱、墩或基础承台周边的局部剪切——即抗浮冲切(Anti-Floating Punching Shear)破坏，其具突发性、延性不足及后果严重等特点。现有板柱节点冲切研究多基于重力向下荷载或抗震作用，针对上浮( uplift )工况下抗浮冲切破坏的机理及关键结构参数的影响尚不清楚。为此，研究人员以深圳某实际受损高层住宅地下室工程为背景，采用数值模拟手段开展系统性研究。

研究人员所采用的主要关键技术方法为：基于实际工程案例（深圳某二层地下室，底板厚500 mm，柱截面600×600 mm与700×700 mm，基础承台CT-6/CT-7，实测混凝土抗压强度21.0～30.1 MPa，钢筋屈服强度445～495 MPa），在LS-DYNA中建立混凝土柱—地下室底板—桩基体系的三维精细化有限元模型(Finite Element Model, FEM)；混凝土采用八节点常应力实体单元结合混凝土损伤塑性模型(Concrete Damage Plasticity, CDP, MAT 273)，受拉损伤按双线性应力—非弹性位移律定义并依据断裂能(G_f)计算，受压损伤按指数型应力—非弹性应变律定义；钢筋采用三线性随动强化模型(MAT 24)并以Hughes–Liu梁单元模拟，通过BEAM_IN_SOLID约束考虑无黏结滑移；承台与底板接触面采用AUTOMATIC SURFACE TO SURFACE接触（摩擦系数0.3，法向抗拉强度为零）；桩底及柱顶全约束，底板边缘施加相应平动约束，底板底面施加历史最高水位对应水压力108.3 kN/m²；通过与现场损伤照片及Dam and Wight板柱冲切试验（预测冲切承载力1171 kN vs 试验值1280 kN，误差<8%）对比完成模型验证；在此基础上进行参数分析（板厚400/500/600 mm、混凝土抗压强度20/40/60 MPa、柱截面500×500/700×700/900×900 mm、承台CT-6/CT-7/CT-9）及三种抗浮加固方案对比分析。

2. Overview of the Project and Damage Analysis（工程概况与损伤分析）

研究人员介绍了深圳某由六栋49层超高层住宅及一栋幼儿园组成、设两层地下室（面积54000 m²）的实际工程案例。2024年4月连续暴雨致地下水位上升，抽水后发现在D-19~D-22轴与D-U~D-Q轴交汇处柱底渗漏，局部底板刚层与周边存在约20 cm高差，拱起面积约380 m²，现场采取凿除承台周边刚性层及钻孔泄压处理。检测表明在历史最高水位下按实测混凝土强度计算，检测区域部分承台抗浮冲切承载力不满足规范要求，故选取受损最严重的D-18~D-22/D-T区域作为有限元建模原型。通过钻芯法测得D-T/D-18与D-T/D-22处混凝土抗压强度分别为21.0 MPa与30.1 MPa，钢筋力学性能符合实测数据范围。

3. Finite Element Approach and Validation（有限元方法与模型验证）

研究人员详述了FEM各部件单元类型与本构：混凝土用CDP模型，钢筋用三线性模型，承台—底板接触设零法向抗拉以模拟翘离，筋—混凝土耦合忽略黏结滑移。边界条件为桩底及柱顶全固定，底板边缘约束平动释放板外变形，底板底面施加均布水压力。验证方面：模拟所得底板受拉损伤分布（裂缝始于承台—底板交接处，呈放射状向外扩散）与现场检测裂缝位置及形态吻合；引用Dam and Wight板柱冲切试验建立的对照FEM预测冲切承载力1171 kN，较试验值1280 kN低8%，在可接受范围且冲切锥形状与试验一致，证明所建模型可可靠模拟混凝土板冲切损伤及力—位移响应，可用于后续参数化研究。

4. The Internal Failure Mechanism of the Foundation Pad–Pile Systems（基础承台—桩体系内部失效机理）

研究人员利用验证模型追踪连接区域内混凝土受拉损伤随抗浮荷载增大的渐进演化过程：初始阶段无损伤→锚固区底部出现零星受拉损伤（微裂）→损伤沿板厚方向及锚周扩展并出现中等损伤→锚区受拉损伤明显加剧并向侧方扩展形成不完整损伤带→底板底部形成连续高损伤区且相邻承台相互影响、应力重分布能力显著下降→锚区下方形成斜向损伤发展路径、典型剪切破坏通道基本建立→两侧损伤进一步连通并在底板底部出现具贯通趋势的高损伤区→最终受拉损伤贯穿板厚形成完整剪切冲切破坏面。揭示抗浮工况下失效遵循"局部开裂—损伤扩展—整体穿透"的典型演进模式，锚固区首先承受显著受拉应力集中导致局裂，后在拉—剪耦合下沿斜向扩展连通形成冲切破坏面。

5. Analysis of Key Influencing Factors（关键影响因素分析）

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  5.1. Thickness of Concrete Slab（底板厚度）：对比400/500/600 mm三种板厚，监测单元最大主拉应力及损伤云图显示：增厚使峰值主拉应力出现滞后、后期应力衰减变缓，高损伤区由广泛连续扩散（400 mm，脆性冲切特征明显）收缩并局限于锚固区附近（600 mm，呈"宽而弱"均匀分布），损伤模式由局部扩张型转为均匀分散型。结论：增加板厚可提升整体刚度与应力扩散能力，有效延缓剪切裂缝发展并减轻应力集中，但存在尺寸效应，单纯加厚效果非线性且有限。
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  5.2. Compressive Strength of Concrete（混凝土抗压强度）：对比C20/C40/C60，高强度混凝土承受更大局部拉应力使开裂延迟，但高损伤区更集中于柱边及节点核心区且呈不规则集中，外围多为低损伤态。结论：提高混凝土抗压强度可提升抗冲切承载力与开裂延迟效果，但因材料脆性增强使应力不易扩散，损伤由广布扩散型转为局部集中型，破坏模式趋向脆性。
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  5.3. Cross-Section of Column（柱截面）：对比500×500 mm、700×700 mm、900×900 mm柱截面，底板受拉损伤分布无明显差异。结论：抗浮冲切裂缝通常发生于承台周边，柱截面尺寸对地下室底板抗浮冲切性能影响有限。
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  5.4. Dimension of Foundation Pad（基础承台尺寸）：对比CT-6(2000×3200 mm)、CT-7(2500×4200 mm)、CT-9(3200×3200 mm)，较小承台(CT-6)使承台边缘主拉应力峰值早现且后期显著跌落（裂缝快展、刚度退化），大尺寸承台尤其是等大方形CT-9使边缘主拉应力稳定、高损伤区被限制在柱周及承台边缘、相邻节点间损伤扩散联系减弱。结论：增大基础承台尺寸可促进荷载扩散、降低应力集中并使损伤由定向集中型转为均匀扩散型，等比例放大承台对降低应力集中及提升抗剪性能效果最显著。

6. Comparison and Analysis of Anti-Floating Reinforcement Methods（抗浮加固方法对比分析）

研究人员对比三种常用抗浮加固措施：①抗拔锚杆——将浮力传递至深部稳定土层/岩层，抗浮效果直接显著，适用于高水位或高浮力工况，但锚固点集中易引起锚区局部应力集中诱发冲切，且对施工质量与耐久性要求高；②底板加厚——不改动原结构体系，整体受力可改善应力分布、延缓裂缝与剪切破坏，施工简便、整体性好，但混凝土用量大成本高，高浮力下效率有限，适于中等浮力或施工简便性要求高的项目；③抗浮压重层——底板顶部覆土或增设混凝土压重层以附加重力抵消浮力，均布荷载形式可明显改善应力分布、显著降低局部应力集中与冲切风险，对原结构扰动小、经济性较好，但增加结构上覆荷载并占用地下空间，空间受限或荷载控制严格时适用性受限。

总结与结论（Summary and Conclusions）

研究人员在文中得出以下结论：①抗浮荷载下底板混凝土受拉损伤经历萌生、扩展和穿透三阶段，始于锚固区，沿板厚及水平方向扩展，最终形成贯通剪切冲切破坏面，表现为由局部应力集中到整体失效的演变；②增加底板厚度可提高抗冲切能力并改善应力分布，使损伤由集中转向均匀、延迟裂缝开展，但受尺寸效应影响增幅非线性且单纯加厚效果有限；③提高混凝土抗压强度可提升抗冲切能力并延迟开裂，但会削弱应力重分布能力，使损伤由扩散转向集中，破坏模式由延性向脆性转变；④增大基础承台尺寸能促进荷载扩散、降低应力集中并使集中损伤转为均匀分布，其中等边放大效果较好，对改善抗剪性能作用显著。

本研究通过经工程实例与试验验证的三维CDP有限元模型，阐明了上浮工况下地下室底板抗浮冲切的渐进失效机理，定量评价了板厚、混凝土强度及基础几何尺寸的影响，并对比了实用加固策略，为地下结构抗浮设计与加固优化提供了理论支撑与工程参考。