簡 斌,盧鐵鷹,李少巍,陰 可

(重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶400045)

伴隨城市地下建筑的增多,由地下水浮力引起的工程質(zhì)量事故、造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的案例也逐步增多[1-2],房屋的抗浮問題也因此得到研究人員更多的重視。目前研究工作多集中在地下水位取值、浮力折減系數(shù)、抗浮設(shè)計(jì)以及地下水-土體-地下結(jié)構(gòu)共同作用等方面[1-4]。而與此相對應(yīng),針對地下水浮力對地下建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷特征和機(jī)理的研究卻少見報(bào)導(dǎo),而這一研究工作既有助于在設(shè)計(jì)階段預(yù)見可能的結(jié)構(gòu)損傷,也有助于對地下水浮力造成的工程事故進(jìn)行合理判斷和處理。

地下水浮力對地下鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的影響,主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)隆起變形、混凝土構(gòu)件開裂以至局部破壞上。由不同原因引起的結(jié)構(gòu)裂縫的特征是不同的,雖然國內(nèi)外學(xué)者對包括溫度、收縮、凍脹在內(nèi)的荷載和作用引起的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫和結(jié)構(gòu)損傷已進(jìn)行較多研究[5-8],但其中涉及到地下水浮力引起的結(jié)構(gòu)損傷分析卻很少。這是因?yàn)樵缙谶@方面的典型案例較少,同時(shí)地下水浮力引起的結(jié)構(gòu)損傷與具體工程關(guān)系緊密,普通研究人員較少涉及。

該文結(jié)合重慶大學(xué)在新疆完成的一典型地下水浮力造成工程事故的原因調(diào)查,并采用有限元程序進(jìn)行相關(guān)模擬計(jì)算,對地下水浮力引起的建筑結(jié)構(gòu)損傷特征和機(jī)理,以及變形和剛度變化等進(jìn)行研究,該研究工作可以作為同類工程分析的參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

新疆某1大型車庫為地下一層建筑,由軸線分區(qū)號為1的矩形區(qū)和軸線分區(qū)號為2的近似方形區(qū)2部分組成(圖1),結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。該車庫于2006年開工修建,屋面混凝土澆筑后,因冬季氣候寒冷原因,于同年11月下旬暫停施工。停工時(shí),將尚未澆注混凝土的后澆帶和車庫大門封閉保溫。2007年4月準(zhǔn)備復(fù)工時(shí),發(fā)現(xiàn)該地下室軸線2分區(qū)屋面中部明顯隆起,中部與周邊的相對高差近500 mm,并有增加趨勢。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn),該區(qū)地下室的梁、柱、墻普遍嚴(yán)重開裂,造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷甚至破壞。與軸線2分區(qū)相比,1分區(qū)未見結(jié)構(gòu)明顯變形和構(gòu)件開裂現(xiàn)象。論文將對該事故原因進(jìn)行分析研究。除說明外,討論的區(qū)域均指軸線2分區(qū)。

圖1 地下車庫結(jié)構(gòu)平面布置示意圖

1.2 場地條件及相關(guān)荷載取值

場地標(biāo)準(zhǔn)凍深1.630m,設(shè)計(jì)地下水位標(biāo)高為-1.200 m。地下車庫屋面使用活荷載3.5 kN/m2,屋面覆土厚度0.9 m。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參見圖1,屋面框架梁、次梁截面尺寸分別為400mm×1 000mm 和300mm×700mm;柱截面尺寸550 mm×550 mm;周邊混凝土擋土墻及內(nèi)部防火墻厚200 mm。車庫頂板厚200 mm,雙層雙向鋼筋網(wǎng),板面標(biāo)高-1.20 m;基坑開挖至-6.10m,底板墊層為150 mm厚C15素混凝土,墊層以上設(shè)50mm厚防水層,其上即為覆蓋全場、厚300mm的鋼筋混凝土車庫底板,板底標(biāo)高與柱下獨(dú)立基礎(chǔ)底面標(biāo)高相同,板中配置14@200雙層雙向鋼筋網(wǎng)。頂板、底板及墻體(含擋墻)混凝土強(qiáng)度等級為C30,梁、柱混凝土強(qiáng)度等級為C40。

2 現(xiàn)場調(diào)查

2.1 裂縫

板：屋面板有大量不規(guī)則裂縫發(fā)生,此類裂縫除極少數(shù)外,絕大部分未貫穿至板底面;底板的局部區(qū)域出現(xiàn)裂縫,且有地下水滲出,如4～6軸線與K～L軸線所圍區(qū)域有可見裂縫,地表見浸水?，F(xiàn)場勘查過程中發(fā)現(xiàn),車庫頂板上的0.9 m厚綠化土層和車庫底板上的0.5 m厚回填層和地面均未施工。

梁：屋蓋框架梁和次梁沿梁長均有裂縫出現(xiàn),裂縫主要為豎向走勢,局部有斜裂縫。在端部靠近周邊墻體附近的梁端裂縫寬度較大,其中J軸線梁在靠近10軸線防火墻處的1條斜裂縫寬度達(dá)到3.0 mm,該梁段內(nèi)其余部位的裂縫仍以豎向走勢為主。

柱：框架柱普遍開裂,裂縫位于柱腳和柱頂部位,柱中段基本完好,裂縫寬度總體較梁裂縫大。在靠近車庫中部的框架柱裂縫數(shù)量較少,寬度較窄;在靠近車庫的周邊區(qū)域,框架柱裂縫發(fā)育,裂縫寬度較大,如：2×F柱頂有多條寬度達(dá)到10 mm以上的斜裂縫,沿裂縫可將混凝土剝落(圖2)。

圖 2 2×F柱頂裂縫

墻：E軸線上3～8軸段防火墻裂縫發(fā)育充分,該片墻體東西兩端裂縫數(shù)量較多,中段裂縫數(shù)量逐漸減少,裂縫寬度逐漸減小至無。裂縫均為斜向走勢,靠近3軸線處裂縫為西高東低(圖3),8軸線處裂縫為東高西低(圖4)。3×E柱頂嚴(yán)重開裂,柱縱筋彎曲,已達(dá)破壞。

在A～M軸與1～10軸所圍矩形區(qū)域內(nèi),屋面結(jié)構(gòu)中部隆起變形最大,周邊梁柱開裂明顯較中部嚴(yán)重,裂縫分布和破壞程度也是呈現(xiàn)中心對稱分布。

圖3 E軸線上 3～4軸線段墻體裂縫

圖4 E軸線上 7～8軸線段墻體裂縫

2.2 屋蓋變形

將地下車庫的柱中心線投影到頂板板面,采用全站儀對其高程進(jìn)行測量。結(jié)果表明：地下室屋面板周邊高程最低,如1×M軸線測點(diǎn)處;中部高程最高,如6×H、5×H軸線等測點(diǎn)處。對底板板面高程測量結(jié)果表明,其高程變化規(guī)律與屋面板相同。

3 原因分析

由該工程場地分析,該工程地處新疆,冬夏溫差大、位于凍融地區(qū),且地下水位高;由結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)分析,該車庫結(jié)構(gòu)平面尺寸大,易受溫度和混凝土收縮等因素的影響。經(jīng)初步分析,造成事故的原因可能包括：場地土凍漲的影響、溫度變化及混凝土收縮的影響、地下水浮力的影響等。相關(guān)文獻(xiàn)也指出,溫度、混凝土收縮[5-7]對混凝土開裂有顯著影響,凍脹[8]及地下水[9]也可能造成結(jié)構(gòu)損傷,對這些裂縫應(yīng)進(jìn)行有效控制[10]。

3.1 排除凍漲、溫度及混凝土收縮的影響

首先,排除場地土凍漲的影響。一方面,雖然該建筑場地位于凍土地帶,同時(shí)地下水位高,具備建筑基礎(chǔ)凍脹的條件;但另一方面,建筑物基礎(chǔ)位于地面以下6m,且2006年11月暫停施工時(shí)對建筑物采取了較好的保溫措施,現(xiàn)場勘查未見車庫地面存在明顯凍融破壞跡象,周邊相鄰其他建筑也未見凍融災(zāi)害。更重要的是,自2007年4月發(fā)現(xiàn)屋蓋變形后,隨著氣溫的顯著升高,屋蓋中部的隆起不減反增,這與凍融災(zāi)害完全不同。

其次,排除溫度變化、混凝土收縮的影響。雖然,軸線2分區(qū)平面尺寸大(63.3 m×84.5 m),存在溫度變化、混凝土收縮引發(fā)結(jié)構(gòu)變形的可能,從柱裂縫的分布規(guī)律看,也與溫度變化、混凝土收縮產(chǎn)生的裂縫分布規(guī)律有部分相似之處[11]。然而,同步施工的軸線1分區(qū)縱向尺寸達(dá)158 m,在同樣的工程條件下,未見明顯結(jié)構(gòu)變形和損傷。同時(shí),當(dāng)四月發(fā)現(xiàn)屋蓋變形最大時(shí),其當(dāng)時(shí)氣溫與2006年結(jié)束施工時(shí)的溫差已很小,且未見同類損傷導(dǎo)致的邊柱柱頂明顯側(cè)移[12]。

3.2 地下水浮力的影響

1)場地條件

場地自然地下水位在-1.20 m處,地下水位較高。地下車庫底板墊層底部標(biāo)高-6.10 m,遠(yuǎn)低于地下水位標(biāo)高。若設(shè)計(jì)或施工對地下水浮力產(chǎn)生的作用估計(jì)不足或處理不當(dāng),則可能對結(jié)構(gòu)造成影響。

2)設(shè)計(jì)和施工組織

雖然該車庫采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ),但車庫底板為剛性防水底板,由前文可見,包括墊層在內(nèi),該車庫底板總厚度達(dá)到500mm,實(shí)際上類似形成一筏板基礎(chǔ),這一結(jié)構(gòu)形式對地下水的作用將非常敏感。

施工過程中,在場地周邊設(shè)有排水溝和集水井。集水井抽水至12月下旬,地下水結(jié)冰,停止排水。

3)屋面結(jié)構(gòu)變形原因分析

至此,事故產(chǎn)生原因逐漸明朗,地下水浮力的作用是造成本次工程事故的真正原因。

首先,經(jīng)計(jì)算分析,在自然地下水位標(biāo)高狀態(tài)下,若車庫頂板上的0.9 m厚綠化土層和車庫底板上的0.5 m厚回填土層未施加,該地下室自重是無法抵抗地下水的浮力的。設(shè)計(jì)人員對此未予足夠重視,未明確施工階段應(yīng)采取的抗浮措施。

該工程2006年11月停工前,由于基坑開挖排水,有效地降低了地下水位標(biāo)高,無意間避免了地下水浮力作用對結(jié)構(gòu)的不利影響,故未產(chǎn)生隆起和開裂現(xiàn)象。2006年12月因地下水結(jié)冰而停止施工和排水,但到來年冰雪融化,地下水位回升,而此時(shí)尚未復(fù)工,也未重新組織排水。隨地下水位升高,車庫底板所受地下水浮力大大超過了結(jié)構(gòu)自重,導(dǎo)致該車庫底板上升,從而帶動車庫屋面隆起變形。與此同時(shí),車庫周邊擋土墻受土體約束大,其向上的變形受到約束,因此屋面不是整體向上平移,而僅表現(xiàn)為中部隆起,周邊擋墻幾乎沒有向上位移。

與軸線2分區(qū)相比,軸線1分區(qū)沒有出現(xiàn)明顯的隆起變形和結(jié)構(gòu)損傷。這是因?yàn)?分區(qū)為一矩形布置,短向僅為29.7 m,不到2分區(qū)的短邊尺寸的一半。而對于1分區(qū)這樣短邊遠(yuǎn)小于長邊的四邊約束矩形平面,在浮力的作用下,就類似一均布荷載作用下的單向板,其隆起變形的幅度是由短向尺寸控制的,這一點(diǎn)也為表1中的模擬計(jì)算所證明。

4)構(gòu)件裂縫原因

計(jì)算分析表明各柱豎向變形不一致,這使得框架梁兩端存在相對豎向位移,導(dǎo)致梁、柱內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)力,并最終引起框架梁、柱開裂。同時(shí),從豎向變形的平面分布看,越靠近周邊,豎向變形的梯度越大,即相鄰柱的相對豎向位移越大,這也正是周邊梁柱開裂明顯嚴(yán)重的原因。此外,構(gòu)件開裂又減小了構(gòu)件的剛度,剛度降低則進(jìn)一步降低了結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力,兩者相互促進(jìn),致使結(jié)構(gòu)嚴(yán)重開裂、變形,甚至破壞,這一觀點(diǎn)為眾多研究所證實(shí)[13-16]。

由此可見,造成車庫屋面結(jié)構(gòu)變形的原因是地下水浮力的作用;而導(dǎo)致粱、柱、墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件嚴(yán)重開裂的原因是在浮力作用下,周邊擋墻上移趨勢受土體等約束,各柱(墻)向上的變形不一致,產(chǎn)生相對豎向位移而造成的。如果計(jì)算分析時(shí)未考慮周邊擋墻受到約束,簡單判斷結(jié)構(gòu)整體上移,將不能預(yù)見結(jié)構(gòu)可能遭受的損傷。

事故原因明確后,立即采取了排水措施。5月11日,當(dāng)實(shí)際地下水位降至-2.50～-3.50 m左右時(shí),效果非常明顯,端部豎向位移基本不變,中部最大相對位移降至350 mm。

4 模擬計(jì)算

為模擬構(gòu)件開裂對結(jié)構(gòu)剛度降低的影響,仍以上述工程為例,在構(gòu)件剛度折減的基礎(chǔ)上,采用通用有限元軟件SAP2000對該工程進(jìn)行等效彈性計(jì)算分析。模擬計(jì)算的主要目的是為了檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)剛度的總體折減程度。模擬計(jì)算時(shí)混凝土材料強(qiáng)度、彈性模量等取實(shí)測值,構(gòu)件截面尺寸取設(shè)計(jì)值。梁、柱桿件采用FRAME單元,墻、板采用SHELL單元。后澆帶根據(jù)剛度等效的原則,將鋼筋等效替換為混凝土粱。

表1計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)結(jié)構(gòu)的等效剛度折減到彈性剛度的0.15倍左右時(shí),屋面測點(diǎn)豎向位移的最大計(jì)算值(299 mm)與2007年5月11日的實(shí)測值(331 mm)基本一致,沿平面布置變化規(guī)律完全相同。在ACI318-05[17]規(guī)范中,當(dāng)框架結(jié)構(gòu)臨近其設(shè)計(jì)極限承載力時(shí),梁剛度取 0.35EI、柱剛度取0.7E I。文獻(xiàn)[15]的模擬計(jì)算和試驗(yàn)研究表明,當(dāng)接近極限荷載的80%時(shí),梁、柱剛度折減到45%～50%EI和55%～65%EI。該工程計(jì)算的折減后剛度較ACI規(guī)范等均小較多,其原因是由于部分構(gòu)件已嚴(yán)重開裂至局部破壞。

表1 測點(diǎn)豎向位移計(jì)算及實(shí)測值/mm

在彈性剛度未折減時(shí),軸線1分區(qū)中部豎向位移僅為8.8 mm。實(shí)際情況是軸線1分區(qū)構(gòu)件幾乎未見明顯裂縫,也未見該分區(qū)屋面明顯隆起變形。這是因?yàn)?分區(qū)縱向尺寸雖達(dá)158 m,但橫向不足30m,計(jì)算分析表明結(jié)構(gòu)豎向變形主要由短邊尺寸決定,這就猶如一塊均布荷載作用下的四邊約束的矩形板。

值得特別注意的是,表1中的實(shí)測值為2007年5月11日的實(shí)測值,已較最大時(shí)的500 mm左右下降較多?？梢?當(dāng)?shù)叵滤×ψ饔迷诮Y(jié)構(gòu)上,并接近或超出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力時(shí),將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度迅速下降,其等效的彈性剛度僅相當(dāng)于其未折減彈性剛度的幾分之一或十幾分之一。此時(shí),如果還依據(jù)未折減彈性剛度計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形,將大大低估結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的變形,從而忽視可能產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷。

5 結(jié) 論

1)當(dāng)?shù)叵滤×Τ龅叵陆ㄖ陨碇亓繒r(shí),地下建筑在浮力作用下產(chǎn)生向上隆起變形或整體移動趨勢,而周邊擋墻上移趨勢受土體約束,致使各柱、墻豎向變形不一致,產(chǎn)生相對豎向位移,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件在彎矩、剪力作用下開裂。

2)計(jì)算分析模型應(yīng)考慮周邊擋墻受到的實(shí)際約束,若簡單認(rèn)為結(jié)構(gòu)整體上移,將不能預(yù)見結(jié)構(gòu)可能遭受的損傷。對于四邊約束的矩形平面結(jié)構(gòu),其短邊長度對整體結(jié)構(gòu)損傷起控制作用。同時(shí),周邊相對豎向變形大,周邊結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷更為嚴(yán)重。

3)在較大地下水浮力作用下,當(dāng)結(jié)構(gòu)接近其設(shè)計(jì)極限承載能力時(shí),其剛度折減非常大,僅相當(dāng)于其未折減彈性剛度的幾分之一或十幾分之一,這對確定浮力引起的結(jié)構(gòu)變形將產(chǎn)生很大影響。

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