周海軍

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

為解決超高層建筑和裙房之間存在的沉降差，以及防止由于混凝土面積過大，結(jié)構(gòu)因溫度變化導(dǎo)致混凝土收縮開裂，需設(shè)置沉降后澆帶、溫度后澆帶及伸縮后澆帶[1]。

現(xiàn)階段對(duì)于后澆帶的研究多集中于設(shè)計(jì)、施工及封閉時(shí)機(jī)方面。井輪[2]對(duì)建筑施工中后澆帶的作用和施工技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述；魯宇平[3]重點(diǎn)介紹后澆帶對(duì)鋼屋架施工的影響，并結(jié)合工程實(shí)際和模擬計(jì)算，提出釋放梁端約束的方法及釋放約束后所采取的臨時(shí)加固措施；唐長(zhǎng)領(lǐng)[4]結(jié)合實(shí)際工程介紹了超高層建筑裙樓和塔樓之間，型鋼轉(zhuǎn)換梁跨越沉降后澆帶施工技術(shù)；蘇海明等[5]結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)整體結(jié)構(gòu)和局部構(gòu)件進(jìn)行有限元模擬，并對(duì)半封閉式后澆帶進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在后澆帶設(shè)計(jì)方面，余鈺等[6]依托一超長(zhǎng)抗震結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了三種后澆帶設(shè)置方案，并通過施工期間混凝土成型收縮非線性時(shí)程分析驗(yàn)證三種方案的可行性；郭高貴[7]等以長(zhǎng)江中下游平原河網(wǎng)地區(qū)軟基倒T形混凝土結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過有限元模擬研究該結(jié)構(gòu)后澆帶設(shè)置最優(yōu)間距；李國勝[8]通過對(duì)收縮后澆帶和沉降后澆帶的深入探討，解決了后澆帶在設(shè)置中的幾個(gè)關(guān)鍵問題；方濤[9]以某高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)為例，探討高層建筑中超長(zhǎng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的后澆帶設(shè)計(jì)與施工問題。針對(duì)后澆帶封閉時(shí)機(jī)，竇遠(yuǎn)明等[10]利用ANSYS建立結(jié)構(gòu)整體模型，模擬不同施工工序及后澆帶封閉情況，研究主裙樓建筑后澆帶最佳封閉時(shí)機(jī)；趙楠等[11]對(duì)高層建筑停止降水與沉降后澆帶封閉時(shí)間進(jìn)行了探討；邸道懷等[12]通過實(shí)際工程結(jié)合沉降計(jì)算方法，提出了沉降后澆帶封閉原則。

后澆帶內(nèi)設(shè)置水平傳力構(gòu)件，國內(nèi)已有工程實(shí)例采用，同時(shí)針對(duì)構(gòu)件設(shè)計(jì)不同形式發(fā)明了多個(gè)專利。但對(duì)于研究水平構(gòu)件抵抗結(jié)構(gòu)外部荷載變形規(guī)律的文獻(xiàn)很少，鑒于此，本文結(jié)合有限元軟件，同時(shí)考慮混凝土早齡期不同時(shí)間點(diǎn)彈性模量和抗壓強(qiáng)度變化，研究在不同混凝土齡期下水平傳力構(gòu)件合適的支護(hù)形式，以期為相關(guān)工程提供參考。

2 后澆帶水平傳力構(gòu)件及有限元模型

2.1 構(gòu)件原理

依據(jù)各種規(guī)定及實(shí)際情況，后澆帶補(bǔ)澆時(shí)間各不相同，從十幾天到幾十天不等。此段時(shí)間整個(gè)結(jié)構(gòu)處于不完整狀態(tài)，導(dǎo)致遭受外部荷載時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳力不理想，因受力不均致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向位移。在后澆帶之間連接不同形式的構(gòu)件，將后澆帶兩側(cè)的梁或板連接在一起，形成整體受力結(jié)構(gòu)，在不減少后澆帶數(shù)量的情況下，降低整體結(jié)構(gòu)水平位移，使結(jié)構(gòu)受力更加合理，其原理如圖1所示。

2.2 有限元模型建立

本文采用ABAQUS軟件建立模型，通過數(shù)值分析確定后澆帶水平傳力構(gòu)件布置方案。以西安綠地絲路全球文化中心項(xiàng)目為工程背景，在確定支護(hù)形式時(shí)考慮型鋼截面形狀、連接形式和布設(shè)間距三個(gè)因素。選取截面形狀為H形、方形和圓形，基于主體結(jié)構(gòu)為梁板結(jié)構(gòu)，參照梁截面尺寸，選取傳力構(gòu)件的截面尺寸。H型鋼:截面尺寸為H400×400×13×21 mm；方鋼管:截面尺寸為口400×400×20×20 mm；圓鋼管:截面尺寸為?400×20 mm。H型鋼布置剖面如圖2所示。連接形式一般采用焊接連接和錨固連接，錨固連接方式如圖3所示。一般在梁之間布設(shè)傳力構(gòu)件，構(gòu)件之間的間距即為梁間距。傳力構(gòu)件屈服強(qiáng)度為330 MPa。

建立數(shù)值模型需考慮以下幾點(diǎn)因素:(1)主體結(jié)構(gòu)混凝土采用實(shí)體單元，采用混凝土塑性損傷模型；(2)鋼材采用實(shí)體單元彈塑性模型，不考慮焊縫、焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；(3)由于模型主要考慮傳力構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)水平位移的影響，暫不考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋作用。數(shù)值計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖4所示。

3 混凝土彈性模量及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1 原材料

水泥采用42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，粗骨料采用陜西富平生產(chǎn)的碎石，級(jí)配為5～25 mm連續(xù)粒級(jí)，壓碎指標(biāo)8% ～9%，細(xì)骨料采用水洗砂，細(xì)度為3.2，含泥量為5.6%，含石量5%。

3.2 試驗(yàn)方案

依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，選取邊長(zhǎng)為150 mm的立方體試塊用于抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，選取邊長(zhǎng)150×150×300 mm的棱柱體試件用于靜力受壓彈性模量試驗(yàn)。試件按齡期分為5 d、7 d、8 d、10 d、12 d、14 d和28 d共7組，每組設(shè)置6個(gè)試件，并對(duì)試塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。試驗(yàn)儀器選用混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)，如圖5所示。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

彈性模量和抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值(均值)如表1所示。

表1 C40混凝土彈性模量和抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值

4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，不同齡期下進(jìn)行土體回填時(shí)結(jié)構(gòu)位移如表2所示。位移折減系數(shù)為有支護(hù)構(gòu)件下的結(jié)構(gòu)位移與無支護(hù)構(gòu)件下的結(jié)構(gòu)位移比值，該比值越小表明支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗結(jié)構(gòu)位移的效果越好。

表2 結(jié)構(gòu)位移及折減系數(shù)

續(xù)表2

由表2可知，在無支護(hù)構(gòu)件條件下，結(jié)構(gòu)位移隨混凝土澆筑天數(shù)增加而減小，在混凝土澆筑5 d時(shí)結(jié)構(gòu)位移較大，從第8天開始結(jié)構(gòu)位移逐漸減少，且不同位移之間差值也隨之變小，表明從此時(shí)間段開始混凝土由于強(qiáng)度增加已經(jīng)可以抵抗部分回填土壓力。無支護(hù)條件下各時(shí)間段結(jié)構(gòu)位移如圖6所示。

在有支護(hù)構(gòu)件情況下，混凝土構(gòu)件形式-結(jié)構(gòu)位移如圖7所示(橫坐標(biāo)上H、Y、F分別表示構(gòu)件截面形式為H形、圓形和方形；圖例中的“1”表示焊接連接，“2”表示錨固連接)。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，錨固連接效果優(yōu)于焊接連接。對(duì)于錨固連接，當(dāng)混凝土澆筑5 d時(shí)，圓形構(gòu)件截面抵抗結(jié)構(gòu)位移效果最差；隨混凝土強(qiáng)度增加，無論構(gòu)件截面選用何種形狀，其效果基本相同。對(duì)于焊接連接，無論混凝土強(qiáng)度如何變化，方形截面支護(hù)效果最好，H形截面支護(hù)效果最差。

5 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)

各工程所在地地質(zhì)條件不同，地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)埋深亦會(huì)不同，即使后澆帶采用相同方案布置水平傳力構(gòu)件，對(duì)抵抗結(jié)構(gòu)變形的效果也各不相同。在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以隨時(shí)掌握結(jié)構(gòu)外側(cè)土壓力變化及結(jié)構(gòu)變形，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，以判斷設(shè)計(jì)方案的合理性[13-15]。

依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)構(gòu)后澆帶處所設(shè)置的臨時(shí)支撐采用方形截面＋錨固連接時(shí)對(duì)抵抗結(jié)構(gòu)的水平位移效果最好。實(shí)際結(jié)構(gòu)采用相同連接形式，并在擋土墻中心位置布設(shè)位移傳感器，其監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果如表3、圖8所示。

表3 模擬與監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)位移對(duì)比

續(xù)表3

6 結(jié)論

通過試驗(yàn)得出C40混凝土在不同齡期下的彈性模量及抗壓強(qiáng)度值，并基于ABAQUS有限元軟件建立設(shè)有水平傳力構(gòu)件的地下室結(jié)構(gòu)模型，研究混凝土不同齡期下進(jìn)行土體回填時(shí)，不同形式的構(gòu)件抵抗結(jié)構(gòu)水平位移的效果。

(1)在混凝土澆筑完成早期階段，結(jié)構(gòu)在外力作用下水平位移較大，隨著混凝土強(qiáng)度增加，特別是在混凝土澆筑完成8 d后，結(jié)構(gòu)水平位移逐漸減小并趨于28 d齡期下的結(jié)構(gòu)位移，且不同齡期下對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)水平位移相差不多。

(2)在后澆帶內(nèi)設(shè)置水平傳力構(gòu)件，對(duì)于抵抗結(jié)構(gòu)水平位移效果顯著，在不同混凝土齡期下，結(jié)構(gòu)水平位移均大幅降低，且控制在一個(gè)較小范圍內(nèi)，所有支護(hù)條件下的結(jié)構(gòu)水平位移折減系數(shù)均在3%以內(nèi)。

(3)在不同混凝土齡期下，支護(hù)構(gòu)件采用錨固連接的效果要優(yōu)于焊接連接，且截面形狀對(duì)其效果影響不大；當(dāng)采用焊接連接時(shí)，采用方形截面抵抗結(jié)構(gòu)位移的效果最好，H形截面效果最差。

(4)結(jié)合智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)分析結(jié)果實(shí)時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。