黃小崗

安徽地平線建筑設(shè)計有限公司，安徽 合肥 230061

1 超長地下室溫度應(yīng)力分析

1.1 工程項目概況

亳州市某住宅小區(qū)單層地下車庫，平面尺寸為380m×210m（長×寬），地上19棟高層住宅。其中，塔樓、純地庫的結(jié)構(gòu)形式分別為現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)。地上塔樓平均間距為45m，無結(jié)構(gòu)縫。地庫平面圖如圖1所示。

圖1 超長地下室平面圖

1.2 季節(jié)降溫的溫度作用計算

引起結(jié)構(gòu)溫度變化的因素有很多種，包括大氣氣溫變化、太陽的輻射及周邊熱源情況等。由于該工程為地下工程，頂板上有1.2m厚的覆土，太陽輻射及熱源影響因素較小，氣溫變化成為影響結(jié)構(gòu)溫度變化的主要因素。同時，溫度變化包含均勻溫差、線性梯度溫差及非線性溫差，其中非線性溫溫差引起系統(tǒng)自平衡內(nèi)力，結(jié)構(gòu)構(gòu)件中不產(chǎn)生凈荷載效應(yīng)；而地下室頂板上有覆土層保護，梯度溫差影響較小，可忽略影響；均勻溫差主導(dǎo)了結(jié)構(gòu)的變形，對溫度作用起到控制作用，對結(jié)構(gòu)影響最為顯著。文章僅以均勻溫差下的溫度應(yīng)力為研究重點，完成相應(yīng)的分析工作。

（1）溫差計算。文章研究的工程分兩期開工，地下室結(jié)構(gòu)施工工期為半年左右，沉降后澆帶的封閉時間大概推定在溫度相對較低的11月份。該工程所在區(qū)域基本氣溫最低值為-8℃（1月份），基本氣溫最高值為37℃（7月份），考慮到施工進度的安排，后澆帶合龍溫度設(shè)定為10～15℃。初定夏季地下室的室內(nèi)外溫差取10℃，冬季地下室的室內(nèi)外溫差取5℃，則結(jié)構(gòu)的最高溫度Ts,max=27℃，結(jié)構(gòu)的最低溫度Ts,min=-3℃。結(jié)合現(xiàn)行國標《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 5009—2012）中的相關(guān)條文按照以下公式計算季節(jié)溫差。

季節(jié)最大升溫溫差△Tk1的計算公式如下：

季節(jié)最大降溫溫差△Tk2的計算公式如下：

式中：T0,min、T0,max分別為后澆帶合龍時初始最低、最高溫度。

經(jīng)計算，季節(jié)最大升溫溫差△Tk1=17℃，季節(jié)最大降溫溫差△Tk2=-18℃。

式中：M1、M2、M3、…M10為非標準狀態(tài)條件下的各項修正系數(shù)，該工程結(jié)合工程實際狀況取M1M2M3…M10=1.303，由于篇幅限值，文章未進行列表計算。

依據(jù)公式（3），可知該工程混凝土最大極限收縮量εy(∞)=3.24×10-4×1.303=4.22×10-4。

混凝土澆筑60d后的收縮量εy(t)根據(jù)以下公式計算：

式中：b為經(jīng)驗系數(shù)，該工程取值0.01；t為澆筑時間，d。

經(jīng)計算，混凝土澆筑60d后的混凝土收縮量εy(t)=4.22×10-4×(1-e-0.01×60)=1.904×10-4。

（3）混凝土剩余收縮當量溫差。該工程混凝土澆筑60d后的剩余收縮當量溫差△T’根據(jù)以下公式計算：

式中：αc為線膨脹系數(shù)，取1×10-5/℃。

經(jīng)計算，混凝土澆筑60d后的剩余收縮當量溫差△ T’=[εy(∞)-εy(60)]÷αc=23.16℃。

（4）考慮徐變影響的綜合剩余收縮當量溫差?？紤]到混凝土徐變有利作用，對計算出的混凝土剩余收縮當量溫差進行折減。該工程計算時采用松弛系數(shù)折減，松弛系數(shù)取0.30，地下室頂板混凝土綜合剩余收縮當量溫差為0.30×（23.16+18）=12.35℃。

1.3 有限元分析

采用YJK有限元軟件建模分析季節(jié)溫降為-13℃的溫度應(yīng)力，具體模型如圖2所示。模型僅建一層地下結(jié)構(gòu)，設(shè)置樓板為彈性板。主要計算參數(shù)如下：混凝土強度等級為C30；鋼筋強度等級為HRB400，設(shè)計強度fy為360N/mm2；混凝土熱膨脹系數(shù)為1×10-5/℃。

圖2 有限元分析模型

降溫單工況下應(yīng)力分布圖呈現(xiàn)以下特征：X、Y向兩個方向的應(yīng)力值均呈現(xiàn)中部區(qū)域大，兩端小的特點，端部小范圍局部存在壓應(yīng)力；Y向中部區(qū)域應(yīng)力值多集中在2.4～2.9MPa，而X向中部區(qū)域應(yīng)力值多集中在1.6～2.0MPa，很明顯Y向中部區(qū)域的應(yīng)力值要比X方向大很多；在主樓剪力墻位置及人防墻的位置，由于存在豎向構(gòu)件的約束作用，其應(yīng)力值普遍比其余區(qū)域應(yīng)力大很多。同時可觀察到，一個地庫剖面上的中部區(qū)域應(yīng)力水平和兩端的豎向構(gòu)件約束剛度存在正向關(guān)系，當兩端布置豎向構(gòu)件較多，尤其是主樓位于地庫邊緣時，對樓板水平約束越大，中部區(qū)域的應(yīng)力值水平越高。因此，結(jié)構(gòu)還需配置通長溫度鋼筋來抵抗溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的不利作用，可根據(jù)以下公式計算溫度鋼筋的配筋率ρs。

式中：σs為樓板溫度應(yīng)力；fy為鋼筋的設(shè)計強度。

2 控制溫度裂縫的技術(shù)措施

（1）控制后澆帶的合龍溫度。降低后澆帶合龍時的溫度可有效減小剩余混凝土收縮當量溫差，從而有效避免在季節(jié)降溫情況下，混凝土出現(xiàn)開裂風(fēng)險，有利于進一步提升混凝土整體結(jié)構(gòu)的耐久性。

（2）增設(shè)多道后澆帶。通過計算可知，混凝土澆筑30d、90d后的剩余收縮當量溫差分別為31.3℃、17.6℃，由此可見延長混凝土后澆帶的封閉時間可有效控制后期混凝土開裂情況。該工程設(shè)計時嚴格要求后澆帶的封閉時間應(yīng)在兩側(cè)混凝土澆筑60d后，且后澆帶寬度應(yīng)控制在1m以上。

（3）在混凝土中添加膨脹劑及抗裂纖維等外加劑。該工程在設(shè)計要求底板、外墻、頂板的混凝土中添加膨脹劑及抗裂纖維，并限值混凝土的膨脹率不得小于0.02%，同時要求干縮率不得大于0.03%。此措施可有效控制混凝土早期開裂，同時可有效減小混凝土剩余收縮當量溫差。

（4）頂板設(shè)置通長抗裂鋼筋。該工程地下室頂板厚度為250mm，混凝土強度等級為C30，混凝土抗拉強度設(shè)計值ft為1.43N/mm2，鋼筋采用HRB400熱軋帶肋鋼筋，溫度作用分項系數(shù)為1.5，組合值系數(shù)為0.6，板配筋采用雙層雙向通長配筋，鋼筋之間的搭接滿足搭接長度，連接接頭的面積百分比控制小于50%，則設(shè)計時Y向溫度作用附加應(yīng)力σy為2.61N/mm2，X向溫度作用附加應(yīng)力σx為1.80N/mm2。根據(jù)施工圖進行配筋驗算，設(shè)計時Y向通長筋采用φ14@150（頂面底面雙層），總配筋率ρy=0.82%＞σy÷fy=2.61÷360≈0.73%；設(shè)計時X向通長筋采用φ12@150（頂面底面雙層），總配筋率 ρx=0.60% ＞ σx÷fy=1.80÷360=0.50%。

（5）設(shè)計時提高梁腰筋配筋率，以兩側(cè)腰筋總配筋率0.3%為控制條件，要求腰筋通長，并按照抗扭腰筋滿足相關(guān)搭接及錨固要求。

（6）延長養(yǎng)護時間，施工全過程加強混凝土表面保護。該工程施工交底時，強調(diào)澆筑混凝土以后的28d，采用標準養(yǎng)護，必要時采用保水養(yǎng)護，防止混凝土前期的塑性裂縫的產(chǎn)生?；炷翉姸冗_到100%時，盡早覆土保護，以減小環(huán)境溫度的變化對結(jié)構(gòu)的影響。

3 結(jié)束語

文章以單層大底盤地下室為研究對象，采用有限元軟件建模分析，歸納出超長地下室結(jié)構(gòu)在季節(jié)降溫的溫度作用下的數(shù)據(jù)資料及分布特征，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)，同時結(jié)合工程特點提出多項技術(shù)措施，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，有效控制裂縫，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。工程設(shè)計也需和施工單位緊密配合，后澆帶合龍溫度區(qū)間、后澆帶平面位置、外加劑的類型及超規(guī)范混凝土養(yǎng)護要求應(yīng)與施工單位進行充分溝通，從而達到設(shè)計的預(yù)期目的，實現(xiàn)超長地庫結(jié)構(gòu)的無縫設(shè)計。