何明哲

（中國中元國際工程公司，北京 100089）

1 引言

隨著建筑行業(yè)日新月異的發(fā)展，大型住宅項(xiàng)目超長地下室大量涌現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如何進(jìn)行溫差取值，如何選取溫度工況進(jìn)行溫度應(yīng)力分析并采取措施，已成為此類項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目案例，對(duì)地下室進(jìn)行溫度應(yīng)力分析，并從設(shè)計(jì)和施工方面給出較為全面的措施和建議。

2 項(xiàng)目概況

本工程地下建筑面積85 800m2，主要功能為車庫、設(shè)備用房和戰(zhàn)時(shí)人防。地下室分為南、北兩片區(qū)域，南區(qū)地下室呈魚骨形布置，北區(qū)地下室呈L形布置，南、北區(qū)地下室連為一體，東西向最大長度約為340m，南北向最大長度約為450m。局部如圖1所示。

圖1 總平面示意圖

地下室外墻厚250～350mm，頂板厚250～400mm。墻、柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，梁、板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。采用獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板的基礎(chǔ)形式，高層塔樓部分采用筏板基礎(chǔ)，CFG樁地基處理。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：50a，設(shè)計(jì)使用年限：50a；結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：二級(jí)；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.0；最高月平均溫度33℃，最低月平均氣溫-24℃。

3 溫度應(yīng)力分析

3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算溫差的確定

對(duì)于超長結(jié)構(gòu)混凝土開裂而言，間接作用的影響主要體現(xiàn)在環(huán)境溫度的降低和混凝土的收縮變形，對(duì)于后者，工程界經(jīng)常將混凝土的收縮變形等效為當(dāng)量溫差。因此，混凝土收縮變形有兩方面，即當(dāng)量溫差和環(huán)境降溫溫差。

按照施工和設(shè)計(jì)工況，溫差計(jì)算時(shí)，分為3種工況，即后澆帶封閉前的施工階段、后澆帶封閉至使用前的施工階段以及結(jié)構(gòu)使用階段。

通過合理設(shè)置后澆帶，將地下室頂板每個(gè)結(jié)構(gòu)區(qū)段長度控制在30m以內(nèi)，后澆帶封閉前混凝土收縮變形以及溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)影響很??；而在結(jié)構(gòu)使用階段，考慮夏季空調(diào)，冬季采暖因素，地下室部分的溫差不會(huì)超過施工期間，因此，對(duì)使用期間不做分析。綜上，最不利的工況為后澆帶封閉至使用前的施工階段，以下對(duì)此工況做進(jìn)一步分析。

對(duì)于本項(xiàng)目，要求后澆帶封閉后盡快完成地下室側(cè)墻回填、頂板保溫及洞口封閉，最低月平均氣溫可取-5℃[1]。設(shè)后澆帶合龍時(shí)溫度為5～10℃，則環(huán)境溫度的最不利降溫溫差為-15℃。最高月平均氣溫按25℃考慮，則環(huán)境溫度的最不利升溫溫差為20℃。

混凝土收縮變形εs可通過公式ΔTs=εs/α換算成當(dāng)量降溫溫差ΔTs，其中α為混凝土的線膨脹系數(shù)取1.0×10-5。收縮變形εs(t)=ε0(1-e-0.01t)M1M2…M11，式中，M1M2…M11對(duì)于后澆帶封閉至使用前的施工階段可取1.0；ε0為初始收縮變形對(duì)于C40以下混凝土取3.24×10-4；式中，t為齡期，d[2]。

從開始施工到后澆帶封閉，歷時(shí)6個(gè)月，混凝土收縮變形為εs(0)-εs(90)=3.24×10-4-3.24×(1-e-0.01×180)×10-4=0.54×10-4，換算成當(dāng)量溫差為-5.4℃。采用補(bǔ)償收縮混凝土，要求限制膨脹率為2.0 ×10-4，取實(shí)際膨脹率1.0 ×10-4，大于混凝土收縮變形，采用補(bǔ)償收縮混凝土可補(bǔ)償混凝土收縮[3]，因此，本項(xiàng)目計(jì)算時(shí)，收縮變形的當(dāng)量溫差不予考慮。

由于混凝土徐變效應(yīng)以及剛度折減效應(yīng)，計(jì)算溫差還應(yīng)折減，其中徐變系數(shù)取0.3，剛度折減系數(shù)取0.85，因此，最終采用的設(shè)計(jì)降溫溫差為-15×0.3×0.85=-3.825℃，升溫溫差為20×0.3×0.85=5.1℃。

3.2 計(jì)算模型

計(jì)算采用北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司出品的Midas Gen有限元分析軟件，建模時(shí)，樓板和墻體均采用考慮面內(nèi)、面外剛度的板單元模型，梁柱采用梁單元模型，模型中僅考慮地下室。假定結(jié)構(gòu)嵌固于基礎(chǔ)底板頂面，即不考慮基礎(chǔ)及地基彈性約束對(duì)結(jié)構(gòu)的有利影響。

基礎(chǔ)偏于安全地采用固定約束，不考慮地基與基礎(chǔ)的彈性約束作用。計(jì)算時(shí)材料參數(shù)如表1所示，圖2、圖3為計(jì)算模型示意圖，圖3給出A～G區(qū)的樓板分區(qū)示意。

表1 材料參數(shù)表

圖2 計(jì)算模型軸測圖

3.3 主要計(jì)算結(jié)果

3.3.1 樓板計(jì)算結(jié)果

對(duì)于樓板，升溫工況以受壓為主，降溫工況以受拉為主，因此，關(guān)注降溫工況下的樓板應(yīng)力分布，以采取針對(duì)措施防止樓板開裂。根據(jù)降溫工況內(nèi)力分析結(jié)果，可以得到以下規(guī)律：

圖3 計(jì)算模型俯視圖

1）長度較長的樓板在該方向上內(nèi)力較大，如Y向長度較大的D區(qū)和F區(qū)，Y向內(nèi)力明顯大于其他區(qū)域；

2）在局部洞口、標(biāo)高變化、拐角等區(qū)域存在內(nèi)力突變值，是薄弱區(qū)域需要采取措施；

3）排除內(nèi)力突變值，樓板的較大內(nèi)力值分布在300～650kN/m。

A～E區(qū)樓板內(nèi)力結(jié)果（未考慮局部應(yīng)力集中）匯總于表 2。

表2 樓板分區(qū)內(nèi)力表kN/m

3.3.2 墻體計(jì)算結(jié)果

對(duì)于墻體，無論升溫或降溫工況，端部墻體在樓板的外推或內(nèi)拉作用下都會(huì)產(chǎn)生較大剪力，由于升溫溫差大于降溫溫差，因此升溫工況對(duì)應(yīng)剪力值更不利。計(jì)算分析表明，樓板端部墻體剪力值較大約200～400kN/m，在短墻和墻體拐角處，最大可達(dá)600kN/m，中部剪力值較小。

4 技術(shù)措施

4.1 設(shè)計(jì)措施

1）配筋措施：樓板應(yīng)力σ＝F／h（F為單位寬度樓板拉力，h為板厚）。忽略混凝土的抗拉強(qiáng)度，所有拉力由鋼筋承擔(dān)，則單位寬度所需鋼筋面積為As=1.4×0.6×F/360=1.4×0.6×σh/360（1.4和0.6分別為溫度作用的分項(xiàng)系數(shù)和組合系數(shù)）。

2）后澆帶設(shè)置：合理設(shè)置后澆帶，后澆帶間距30m，寬度0.8m。后澆帶內(nèi)鋼筋不得直通，在后澆帶內(nèi)錯(cuò)開搭接，后澆帶澆筑前在搭接位置中部搭接鋼筋單面焊10d（d為鋼筋直徑單位）。在環(huán)境溫度相對(duì)較低時(shí)封閉后澆帶，要求合龍溫度在10℃以下，后澆帶采用比兩側(cè)混凝土提高一級(jí)的補(bǔ)償收縮微膨脹混凝土澆筑密實(shí)并加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。后澆帶養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于28d，且應(yīng)一次澆搗完成。

3）采用補(bǔ)償收縮混凝土：地下室梁板結(jié)構(gòu)以及墻體采用補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)，限制膨脹率0.020%，具體工藝應(yīng)滿足JGJ/T 178—2009《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)要求。

4）混凝土中摻入以聚丙烯為原料的短纖維（摻入量可為0.9kg/m3），改善混凝土的塑性收縮、抗裂性，提高抗沖擊力及抗震性能。

5）地下室頂板配筋均為雙層雙向通長配筋，控制鋼筋間距不大于150mm；根據(jù)計(jì)算分析，適當(dāng)提高通長鋼筋的配筋率。

6）對(duì)于超長方向梁適當(dāng)增加通長縱筋，梁腰筋單側(cè)配筋率大于或等于0.1%，間距不大于200mm，并滿足抗拉筋構(gòu)造要求。

又是一聲鷹嘯，巖鷹在空中一個(gè)折轉(zhuǎn)，從他的背后再度狠撲而來。他此時(shí)再難抵擋，不由得心中一涼：看來今天注定難逃鷹爪！又轉(zhuǎn)念一想，與其喪在鷹爪下，還不如跳下深淵，臨死體驗(yàn)一次“飛翔”也好。他想到此處，正要松手，忽聽身后巖鷹發(fā)出一聲慘叫，翅膀撲啦啦亂抖，竟忽地遠(yuǎn)離了自己。他一愣，扭頭一望，見巖鷹的胸脯處，插著一枚綠色的竹葉鏢。

7）地下室外墻水平分布鋼筋除滿足受力要求外，最小配筋率宜為0.4%～0.6%，間距不宜大于150mm，且水平筋放置在豎向筋外側(cè)。

8）當(dāng)外墻設(shè)有扶壁柱時(shí)或外墻轉(zhuǎn)角處，宜在扶壁柱處或轉(zhuǎn)角處沿豎向原有水平分布鋼筋間距之間增加直徑12mm、長度為柱每邊伸出800mm的附加鋼筋。

9）對(duì)分析中發(fā)現(xiàn)的薄弱部位，采用增加板厚及配筋的方式進(jìn)行加強(qiáng)。

4.2 施工措施

合理的施工措施，是保證設(shè)計(jì)合理性的關(guān)鍵。對(duì)于超長地下室的施工，在混凝土材料選擇和配比及混凝土的澆筑、養(yǎng)護(hù)、施工方式等方面，均應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：

1）水泥應(yīng)采用粉煤灰水泥。粗骨料不得采用砂巖，除應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定外，宜選用粒徑5～31.5mm，并應(yīng)連續(xù)級(jí)配，含泥量不應(yīng)大于1%；細(xì)骨料的選擇，宜選用中砂，其細(xì)度模數(shù)宜大于2.3，含泥量不應(yīng)大于3%。

2）在滿足施工要求的前提下，盡量減小混凝土坍塌落度，減小水泥漿量和水灰比。

4）混凝土澆筑宜在初凝前二次振搗，新澆混凝土表面宜在混凝土初凝后終凝前二次抹壓。

5）混凝土澆筑時(shí)應(yīng)采取措施排除沁水。

6）超長結(jié)構(gòu)采用跳倉法施工時(shí)，宜布置垂直于跳倉施工縫長度方向的構(gòu)造。

7）鋼筋均勻布置在上下層（或內(nèi)外層）鋼筋上，直徑宜取12mm，間距不大于150mm，兩端各伸出跳倉施工縫不小于500mm，并固定于上下層（或內(nèi)外層）鋼筋上。

8）施工過程必須注意保濕保溫的養(yǎng)護(hù)措施。環(huán)境濕度越大，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長，收縮越小。混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)，采取花管淋水、薄膜或草簾覆蓋，并灑水保持濕潤，拆模后使混凝土周圍環(huán)境的相對(duì)濕度達(dá)到80%；不得在雨中澆灌混凝土，注意現(xiàn)場防風(fēng)及太陽直射。

9）混凝土拆模時(shí)間應(yīng)根據(jù)工程具體情況確定，拆模強(qiáng)度應(yīng)滿足施工規(guī)范的要求。應(yīng)盡量延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間，不低于2個(gè)月。

10）后澆帶封閉后應(yīng)及時(shí)回填覆土。

5 結(jié)語

根據(jù)本文計(jì)算分析結(jié)果，在大型住宅項(xiàng)目超長地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提供建議如下：

1）需根據(jù)自然環(huán)境和項(xiàng)目周期，對(duì)施工階段和使用階段溫度工況進(jìn)行綜合判斷，選擇合理的溫差和溫度工況進(jìn)行分析，計(jì)算溫差可考慮開裂剛度折減和混凝土徐變的有利影響，折減系數(shù)為0.3×0.85=0.255；

2）混凝土收縮變形的不利影響可通過采用補(bǔ)償收縮混凝土抵消；

3）采用后澆帶，將結(jié)構(gòu)劃分為若干小于30m的區(qū)段，施工階段溫度應(yīng)力可忽略；后澆帶封閉后，盡快完成地下室側(cè)墻回填、頂板保溫及洞口封閉；

4）對(duì)于樓板、墻體溫度應(yīng)力較大處，如長向樓板的長方向，平面端部的墻體，應(yīng)力集中處（局部洞口、拐角處），相關(guān)梁、板、墻體配筋需加強(qiáng)；

5）施工措施是設(shè)計(jì)合理性得以保證的基礎(chǔ)，應(yīng)從混凝土材料的選用、混凝土的養(yǎng)護(hù)、拆模及施工方式上采取合理措施以確保設(shè)計(jì)的合理性。