范榮輝 李鑫奎 譚英輝

1. 上海建工七建集團(tuán)有限公司 上海 200050；2. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

通常，由于主樓和裙房或者主樓與主樓之間的荷載和剛度有較大差異，導(dǎo)致基礎(chǔ)的內(nèi)力和基底的反力產(chǎn)生較大變化，進(jìn)而引起基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，造成底板開(kāi)裂漏水甚至出現(xiàn)更嚴(yán)重的后果。為解決上述問(wèn)題，在設(shè)計(jì)與施工中會(huì)在主樓與裙房或主樓與主樓之間設(shè)置沉降后澆帶。但是，留設(shè)的后澆帶施工涉及到后期施工的二次作業(yè)，給工程質(zhì)量、進(jìn)度、安全等帶來(lái)很多不利的影響并造成施工成本的增加[1-2]。解決后澆帶問(wèn)題最徹底的辦法就是在滿足各方面條件的前提下取消后澆帶[3]，這在上海董家渡金融城工程項(xiàng)目中進(jìn)行了成功的應(yīng)用，并取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程實(shí)例計(jì)算分析

1.1 工程概況

上海董家渡金融城工程項(xiàng)目311B-03地塊（A地塊），東鄰中山南路，南貼東江陰街，北近王家碼頭路，西靠外倉(cāng)橋街南倉(cāng)街，占地總面積為167 510 m2，總建筑面積約1 137 000 m2。

董家渡路將基地分為南北2個(gè)地塊（圖1），本次項(xiàng)目為二標(biāo)段的A地塊，含2座塔樓A1、A2。A1樓為14層＋屋頂（標(biāo)高74.2 m），A2樓為9層＋屋頂（標(biāo)高50.5 m）。地下室均為3層（19 m）。A1核心區(qū)底板厚度1.5 m，A2核心區(qū)底板厚度1.3 m，其余區(qū)域底板厚度1.0 m。沉降后澆帶寬為1 000 mm（圖2）。

圖1 董家渡項(xiàng)目地塊分布

1.2 計(jì)算目的及方法

圖2 項(xiàng)目沉降后澆帶底板基礎(chǔ)

對(duì)比分析設(shè)置后澆帶、取消后澆帶2種混凝土澆筑方法的區(qū)別，同時(shí)考慮在基礎(chǔ)底板混凝土收縮徐變及結(jié)構(gòu)自重影響下，采用有限元方法分析對(duì)比2種澆筑方法在不同的施工過(guò)程中對(duì)基礎(chǔ)底板沉降變形及結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響程度。

采用有限元方法對(duì)A1施工至14層、A2施工至9層后基礎(chǔ)沉降施工過(guò)程進(jìn)行仿真分析，計(jì)算時(shí)采用土基床系數(shù)反算方法。先依據(jù)設(shè)計(jì)院提供的土質(zhì)勘察數(shù)據(jù)及變形情況，通過(guò)荷載與變形的關(guān)系反算出土彈簧系數(shù)K值（約6 500 kN/m3），再通過(guò)該K值模擬分析設(shè)置后澆帶與設(shè)置施工縫2種情況下施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)受力、底板沉降變形情況。

1.3 計(jì)算假定及計(jì)算工況

1）混凝土材料收縮函數(shù)、徐變函數(shù)、彈性模量、抗拉強(qiáng)度隨齡期變化規(guī)律按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取用。

2）基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)按照設(shè)置后澆帶和取消后澆帶（改施工縫），根據(jù)分塊澆筑方案設(shè)置不同的施工工況。

3）不考慮混凝土水化熱溫升作用。

4）板梁結(jié)構(gòu)施工時(shí)，柱已達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，不考慮柱收縮及徐變因素。

5）忽略樓梯以及樓板洞口影響。

6）忽略鋼筋對(duì)提高混凝土極限拉伸的影響。

1.4 后澆帶設(shè)置及施工縫劃分

針對(duì)設(shè)置后澆帶和施工縫2種情況，考慮混凝土的收縮徐變和結(jié)構(gòu)自重影響，計(jì)算上部結(jié)構(gòu)封頂后底板混凝土應(yīng)力情況。計(jì)算時(shí)考慮后澆帶封閉時(shí)間為60 d，采用施工縫情況下每塊底板間隔12 d澆筑。后澆帶設(shè)置布置及施工縫劃分如圖3、圖4所示。

1.5 計(jì)算模型

利用Midas Gen軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)（梁、板、柱、基礎(chǔ)底板）進(jìn)行建模（圖5）。

1.5.1 材料屬性

根據(jù)計(jì)算假定，不考慮柱的收縮、徐變及其強(qiáng)度變化特性，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，上部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件混凝土材料等級(jí)在C30～C60之間不等。其中基礎(chǔ)底板混凝土為C35P8，后澆帶施工提高一個(gè)等級(jí)混凝土，計(jì)算取C40微膨脹混凝土。采用歐洲規(guī)范（1990CEB-FIP模式規(guī)范）混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展函數(shù)來(lái)模擬混凝土抗壓強(qiáng)度，混凝土收縮應(yīng)變曲線亦采用1990CEB-FIP模式規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。

圖3 后澆帶設(shè)置布置

圖4 施工縫劃分布置

圖5 整體有限元模型

1.5.2 單元屬性

結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型共計(jì)10 672個(gè)節(jié)點(diǎn)、20 739個(gè)單元，其中梁?jiǎn)卧?0 250個(gè)，板單元6 249個(gè)，實(shí)體單元4 240個(gè)。梁、柱采用梁?jiǎn)卧M，樓板、剪力墻采用板單元模擬，基礎(chǔ)底板采用實(shí)體單元模擬。

1.5.3 荷載邊界情況

考慮結(jié)構(gòu)自重、基礎(chǔ)底板混凝土收縮、徐變的影響，不考慮混凝土水化熱溫升作用?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)周?chē)s束x、y，允許豎向z變形，通過(guò)設(shè)置土彈簧單元來(lái)模擬結(jié)構(gòu)沉降變形。

1.6 模型試算及沉降設(shè)計(jì)值對(duì)比

有限元計(jì)算采用土基床系數(shù)反算方法。試算A1施工至14層后結(jié)構(gòu)底板變形（A1樓結(jié)構(gòu)核心最大變形32.4 mm，A2樓結(jié)構(gòu)核心最大變形22.6 mm），與設(shè)計(jì)所提供的該施工工況的沉降變形情況（A1沉降最值27 mm，A2沉降最值23 mm）較為接近，驗(yàn)證了本有限元模型反算的正確性。

然后以正確的模型在各種施工階段分析模擬設(shè)置沉降后澆帶與取消沉降后澆帶（采用施工縫）2種不同澆筑方案對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力與基礎(chǔ)沉降變形等的影響情況（圖6）。

1.7 設(shè)置后澆帶/施工縫的混凝土澆筑分塊方案

根據(jù)董家渡項(xiàng)目A地塊設(shè)置后澆帶和取消后澆帶（采用施工縫）的混凝土澆筑分塊方案，在同時(shí)考慮基礎(chǔ)底板混凝土的收縮徐變作用、結(jié)構(gòu)自重等因素下對(duì)7種施工工況進(jìn)行沉降計(jì)算分析。由于有限元邊界約束較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)邊緣處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力值可能會(huì)出現(xiàn)較大的數(shù)值，此數(shù)據(jù)不作整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)判分析，即數(shù)據(jù)分析時(shí)不考慮邊界處畸形應(yīng)力值。

圖6 最后施工階段完成時(shí)整體結(jié)構(gòu)沉降變形及基礎(chǔ)底板沉降變形

1.7.1 設(shè)置后澆帶施工工況計(jì)算分析

在設(shè)置沉降后澆帶下分塊澆筑基礎(chǔ)底板混凝土，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重、收縮徐變等影響，在不同施工工況下對(duì)基礎(chǔ)底板、后澆帶等結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力進(jìn)行分析（圖7～圖9）。

圖7 設(shè)置后澆帶澆筑方案A1/A2主樓施工完成底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖8 A1/A2主樓施工完成后澆帶應(yīng)力

由圖可知，A1、A2主樓全部梁板柱結(jié)構(gòu)施工封頂完成時(shí)，基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為1.74 MPa，此時(shí)后澆帶最大拉應(yīng)力值為0.93 MPa，后澆帶結(jié)構(gòu)兩側(cè)z向變形最大值11 mm，兩側(cè)變形差值最大為2.54 mm，基本可認(rèn)為是同步沉降變形。

1.7.2 設(shè)置施工縫施工工況計(jì)算分析

在不設(shè)置沉降后澆帶（采用施工縫）下分塊澆筑基礎(chǔ)底板混凝土，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重、收縮徐變等影響，在不同的施工工況下對(duì)基礎(chǔ)底板、后澆帶等結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力進(jìn)行分析（圖10）。由圖可知，A1、A2主樓全部梁板柱結(jié)構(gòu)施工封頂完成時(shí)，基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為2.06 MPa。

1.7.3 2種澆筑方案的混凝土受力對(duì)比

通過(guò)有限元方法對(duì)設(shè)置后澆帶和采用施工縫2種混凝土澆筑方案進(jìn)行仿真模擬，分析其對(duì)基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力、沉降變形的差異對(duì)比，將各施工工況下基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值匯總到表1。

圖9 A1/A2主樓施工完成后澆帶變形

圖10 采用施工縫澆筑方案A1/A2 主樓施工完成底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

表1 2種澆筑方案下各施工階段基礎(chǔ)底板應(yīng)力最值（單位：MPa）

由表1可知，通過(guò)有限元理論計(jì)算分析，在同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重、混凝土收縮徐變的影響下，設(shè)置沉降后澆帶對(duì)基礎(chǔ)底板產(chǎn)生的拉應(yīng)力最值要比不設(shè)置沉降后澆帶（采用施工縫施工）小，兩者最值相差約10%，由于是理論計(jì)算分析，在忽略一些諸如混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋對(duì)抵抗裂縫有利影響的前提下，本報(bào)告計(jì)算出的基礎(chǔ)底板拉應(yīng)力最值是有些偏大的。因此，通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)定性對(duì)比分析設(shè)置沉降后澆帶和改施工縫2種澆筑方案下的基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化幅度趨勢(shì)，能說(shuō)明本工程如果不設(shè)置后澆帶而改用施工縫澆筑基礎(chǔ)底板也是可行的。

1.7.4 B3/F1跨間結(jié)構(gòu)沉降變形分析

在設(shè)置施工縫條件下，通過(guò)有限元計(jì)算，得出A1/A2主樓結(jié)構(gòu)封頂施工后B3柱底、F1柱底跨間結(jié)構(gòu)沉降變形數(shù)據(jù)（圖11～圖13）。

圖11 A1/A2主樓結(jié)構(gòu)封頂施工后B3柱底跨間沉降變形

由圖可知，對(duì)于地下B3層柱底跨間沉降變形情況，施工單位計(jì)算底板最大沉降A(chǔ)1處為32.4 mm，A2處為22.6 mm；A1/A2核心筒四角沉降值小于各邊中間沉降值，差值為2 mm，較設(shè)計(jì)院計(jì)算值?。籄1塔樓四周與核心筒沉降差值為9 mm，與設(shè)計(jì)院11 mm相近；A2塔樓四周與核心筒沉降差值為7 mm，與設(shè)計(jì)院9 mm相近；A1塔樓四周沉降值存在偏差，外側(cè)大于內(nèi)側(cè)；A2塔樓四周沉降值相差不大，較為均勻。與設(shè)計(jì)院計(jì)算結(jié)果不同之處在于，裙房底板設(shè)計(jì)院計(jì)算沉降為0 mm，本報(bào)告計(jì)算為7～8 mm。

圖12 A1/A2主樓結(jié)構(gòu)封頂施工后F1柱底跨間沉降變形

圖13 設(shè)置施工縫A1/A2主樓結(jié)構(gòu)封頂后底板沉降變形

對(duì)于地上A1樓與A2樓對(duì)應(yīng)的F1層柱底跨間沉降變形情況，由于混凝土柱、墻在自重作用下的壓縮，造成A1樓、A2樓地上1層豎向位移大于底板處相應(yīng)位移，差值約為4 mm；塔樓外框架柱與核心筒內(nèi)部最大沉降差值為6 mm；A1樓外圍框架柱沉降較為協(xié)調(diào)，但存在外側(cè)沉降大于內(nèi)側(cè)的現(xiàn)象，差值5 mm。A2樓外圍框架柱變形較為協(xié)調(diào)，但四角位置沉降小于其他位置，與設(shè)計(jì)相符。

1.8 計(jì)算結(jié)果總結(jié)

通過(guò)采用有限元方法對(duì)本項(xiàng)目A地塊在設(shè)置沉降后澆帶與不設(shè)置后澆帶（采用施工縫）的混凝土澆筑方案下不同施工過(guò)程的基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力及沉降變形進(jìn)行定性對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1）采用土基床系數(shù)反算方法，依據(jù)設(shè)計(jì)提供的土質(zhì)勘察數(shù)據(jù)及變形情況，通過(guò)荷載與變形的關(guān)系，反算出土彈簧系數(shù)K值（土體基床系數(shù)K=6 500 kN/m3），試算A1施工至14層后結(jié)構(gòu)底板變形（A1樓結(jié)構(gòu)核心最大變形32.4 mm，A2樓結(jié)構(gòu)核心最大變形22.6 mm），與設(shè)計(jì)所提供的該施工工況的沉降變形情況（A1沉降最值27 mm，A2沉降最值23 mm）較為接近，驗(yàn)證了本有限元模型反算的正確性。

2）采用設(shè)置后澆帶方案的底板最大拉應(yīng)力為1.74 MPa，采用設(shè)置施工縫方案的底板最大拉應(yīng)力為2.06 MPa，設(shè)置施工縫方案底板應(yīng)力稍大于設(shè)置后澆帶方案底板應(yīng)力，2種方案底板拉應(yīng)力均小于C35混凝土抗拉強(qiáng)度2.20 MPa。

2 取消后澆帶后采取的施工措施

2.1 優(yōu)化混凝土配合比

現(xiàn)在涉及諸如地下室底板等大體積混凝土澆筑的混凝土配制中一般會(huì)采用“雙摻技術(shù)”[3]，即摻入粉煤灰與礦粉，利用二者的疊加效應(yīng)，改善混凝土的性能，降低混凝土水化熱及內(nèi)外溫差。本項(xiàng)目中根據(jù)底板概況以及取消沉降后澆帶的工況，積極聯(lián)系混凝土攪拌站，改變?cè)谢炷僚浔?，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了理想效果。

2.2 采用跳倉(cāng)法施工

對(duì)于較大面積的底板澆筑，取消沉降后澆帶后需合理劃分施工分塊，這樣才能達(dá)到減少結(jié)構(gòu)相互制約、釋放收縮應(yīng)力、節(jié)約工期的目的。本項(xiàng)目在兼顧工期與施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，比選不同劃分分塊方案，最終采用前文的劃分方式。同時(shí)，跳倉(cāng)法施工時(shí)相鄰施工段的間隔至少為7 d。

2.3 合理規(guī)劃混凝土攪拌車(chē)交通路線

大體積混凝土的澆筑必須要保證連續(xù)性。本項(xiàng)目策劃階段即充分考慮項(xiàng)目所在地的地面交通狀況及交通高峰時(shí)間，先期與交警部門(mén)聯(lián)系安排運(yùn)輸路線，并與混凝土攪拌站商定安排不同時(shí)段的混凝土攪拌車(chē)蓄車(chē)數(shù)量。

2.4 混凝土的養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑完成后，需及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，根據(jù)天氣情況采取不同的養(yǎng)護(hù)措施。本項(xiàng)目養(yǎng)護(hù)采用覆蓋1層塑料薄膜加1層麻袋的方式。

3 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算結(jié)果及后期實(shí)際應(yīng)用效果均表明，取消本項(xiàng)目2個(gè)塔樓之間的沉降后澆帶（設(shè)置施工縫）是完全可行的，避免了設(shè)置后澆帶給工程質(zhì)量、進(jìn)度、成本、安全等帶來(lái)的不利影響，可為其他同類(lèi)深基坑地下室底板施工提供有益的借鑒。