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超长混凝土结构地下室设计如何考虑裂缝控制?

编辑:永利402com官方网站   发布时间:2018-1-31?
  因为某些特殊原因,设计上经常会采用超长钢筋混凝土结构。众所周知,通常混凝土建筑都会设计伸缩缝,而超长混凝土结构就是指那些伸缩缝间距超过《混凝土结构设计规范》(以下简称规范)规定的最大问距的钢筋混凝土结构,或者是伸缩缝间距虽未超过规范限值但结构温差变化较大、混凝土收缩较大、结构竖向抗侧构件对楼屋盖约束较大的钢筋混凝土结构。
  通常钢筋混凝土框架结构伸缩缝的最大间距:室内或土中为55m;挡土墙、地下室墙壁等类结构为30m。实际工程中,设置伸缩缝会对建筑的立面外观效果、管道设备的安装以及防水、保温等方面产生影响,建筑师在建筑设计中希望不设或少设伸缩缝,特别是超长地下室混凝土结构设计。要减少超长结构的伸缩缝设置甚至不设伸缩缝,在设计时需采取相应的措施,以消除对结构可能产生的不利影响。
  某研发中心一期工程位于苏州高新区科技城北部,地下一层,长约280m,宽约109m,采用桩承台基础,地下室底板采用无梁防水板。地下室远远超过《规范》规定的设缝要求,为超长混凝土结构。苏州地区地下水丰富,根据勘察报告,钻探期间量测的潜水稳定水位埋深在地面以下0.2~1.2m之间,水位受季节性变化影响较大,年变化幅度在0.5m左右。考虑到地下室防水问题,建筑专业确定采用无缝设计方案。

  混凝土结构裂缝成因分析

  混凝土结构在使用过程中承受两大类荷载,有各种外荷载和变形荷载(温度、收缩、不均匀沉降)。产生裂缝的原因主要有以下3种:(1)由外荷载引起的直接应力引起的裂缝;(2)由外荷载作用,结构次应力引起的裂缝;(3)有变形变化引起的裂缝。结构由温度、收缩、膨胀和不均匀沉降等因素因此的裂缝。
  大量调查资料[2]表明,建筑结构中的80%的裂缝都是由于结构变形引起的,如温度变形、混凝土收缩、结构的不均匀沉降等因素,而20%的裂缝才是荷载作用引起的。前述80%的裂缝包括变形变化与荷载共同作用,但以变形变化为主。因此控制温度变形、混凝土收缩引起的裂缝,对混凝土结构的裂缝控制设计至关重要。

  温度效应分析

  超长地下室混凝土结构在施工及后期使用期间,难免会受到外界温度变化的影响。温度变化的因素主要有:日照辐射、气温骤降、季节性温度变化等。考虑日照辐射和骤降温差作用于结构的时效性较短,对地下室结构不起控制作用,在实际工程分析中一般不考虑,施工期或使用早期的混凝土收缩通过设置后浇带等措施处理效果也得到相关研究的证实,而季节温差对超长结构的影响较为显著,甚至是控制工况,因此本文温度效应分析主要考虑季节温差的影响。
  1. 温度荷载取值
  季节温度变化是渐变的过程,其取值一般按混凝土结构浇筑成型或形成约束时的初始平均温度和后期可能经历的温度变化的差值进行计算,具体计算公式为:ΔTy=T0-Tmax(Tmin)。设计过程季节温差多取可能出现的最不利情况,即最高与最低月平均温度的变化值作为年温变化幅度。
  根据中国气象局公共气象服务中心提供的苏州市气象资料,苏州市1月平均气温最低,为3.7℃;7月平均气温最高,为27.8℃。同时,结合当地的设计经验,一般考虑温降为-25℃,故本文在进行温度效应分析时取季节温差:ΔTy=-25℃
  2. 温度效应分析
  温度应力分析采用的是瞬态弹性方法,温度变化对结构构件变形、内力的影响可等效为某种荷载作用,也称为“等效荷载”,在结构建模时,应考虑混凝土徐变作用导致的混凝土应力松弛,也即对温度应力产生卸载效应,该效应的松弛折减系数参考文献[4]中的建议值取0.3。此外,尚应考虑混凝土裂缝引起的刚度退化,即混凝土构件的刚度折减,该系数可取0.85。
  根据软件计算结果,水平方向在温降作用下,地下室结构底板变形较小,主要考虑桩基础及承台对防水底板约束较强,以及土体对结构产生一定的摩擦作用。地下室顶板结构整体均向结构中心位置收缩,结构的最大位移出现在长向两端部位,其最大值为23.68mm;结构中心位置基本不出现位移变化,该计算结果与实际情况基本一致。此外,由于顶板开洞及地下室墙体约束,导致楼板开洞处的短边附近、墙体与楼板交接部位以及距离较近的洞口之间也出现明显的小范围应力集中区域。
  在竖直方向上,地下室侧墙结构底部位移较小,位移随着与基底距离的加大而增大,温度应力分布规律则是墙底部应力值大,随着墙高增加应力逐步减少,墙底与底板的连接区域出现应力集中现象。分析原因有:侧墙底部与底板的连接设计为刚接,底板对墙体底部有较强约束作用,变形受限不能自由收缩,同时考虑底板混凝土初期收缩阶段地下室侧墙尚未浇筑或未封闭,侧墙对底板的约束尚未形成,且后浇带的存在使得底板可以自由收缩,因此,计算的底板温度应力是偏大的。
  在设计时,考虑墙体侧向水土荷载的作用,一般是正常使用极限状态控制,配筋往往较大,故底部的温度应力作用一般不会影响结构的正常使用,但偏安全考虑,尚应采取加强措施。

  裂缝控制设计

  根据上述分析结果,超长混凝土结构混凝土收缩和温度作用效应明显,由于温差和体积变化,将引起较大的约束应力和开裂,对结构内力和裂缝影响较大,因此,应采取有效措施来减少超长地下室结构的混凝土收缩和温度变化,本工程的裂缝控制设计所采取的控制措施如下。
   1. 设置后浇带
  采用后浇带分段施工的方式,可防止现浇钢筋混凝土结构由于自身收缩不均或沉降不均可能产生的有害裂缝,是规范推荐的处理超长结构的技术措施。后浇带应采用比两侧混凝土强度高一级的补偿收缩混凝土浇筑,膨胀剂应选择硫铝酸钙类膨胀剂。后浇带中的混凝土应在两侧结构单元浇筑60d后再浇注。后浇带平面位置见结构平面布置图纸。后浇带部位的梁钢筋不截断,板钢筋搭接。
  2. 增配构造钢筋
  本工程根据温度应力分析结果,对于温度作用影响明显的区域增配构造钢筋。在形状曲折、刚度突变、孔洞凹角等温度变化影响较大的部位增加构造配筋,并采用适当提高结构构件配筋率或采用通长配筋等构造手段,如超长方向梁两侧腰筋间距不大于150mm,每侧腰筋面积不小于梁宽与腹板高度乘积的0.15%;墙体水平筋间距不大于150mm,并比比计算配筋提高20%的配筋量,墙与柱、墙与墙的连接部位增设直径为10mm的水平附加钢筋,伸入墙内1500mm;顶板、底板通长配筋,并比计算配筋提高20%的配筋量等。
  3. 保温隔热措施
  地下室顶板和周边挡土墙采取建筑保温隔热措施,以降低使用期间地下室内外温差,从而控制由温差产生的裂缝。
  4. 混凝土材料要求
  1)采用低热硅酸盐水泥,严格控制水泥用量,每立方混凝土的水泥用量不超过350kg。
  2)禁止使用矿粉,粗骨料采用连续级配,细骨料采用中砂,应控制粗、细骨料的含泥量。
  3)采用粉煤灰混凝土,并掺入一定量的缓凝剂及高效减水剂。
  4)混凝土采用60d或90d强度,控制混凝土的早期强度,要求12h抗压强度不高于6kN/mm2,24h抗压强度不高于10kN/mm2。
  5)地下室外墙、底板、顶板及相关的梁、柱、基础,采用补偿收缩混凝土。补偿收缩混凝土应采用双层双向配筋,净高度大于3.6m的地下室外墙,应在墙体高度的水平中线部位上下500mm范围内,水平筋的间距调整为100mm。
  5. 施工措施
  1)施工单位应编制具体详细的超长地下室施工方案及质量控制措施,并组织专门论证。
  2)混凝土配合比应经过试配确定。严格控制水泥用量、混凝土单位用水量。
  3)根据施工季节确定合理的混凝土浇筑时间,应在相对低温的情况下浇筑混凝土,并控制混凝土的入模温度。设法降低混凝土的水化热温升、里表温差及降温速率,冬施混凝土成型前后须进行温控计算和测试。
  4)楼板的通长钢筋、主次梁的通长钢筋,不论上、下筋均应按受拉钢筋的要求连接。
  5)按照相关规范要求采取切实可行有效的混凝土养护措施。
  6)尽量晚拆模,拆模时的混凝土温度(由于水泥水化热引起的)不能过高,以免接触空气时降温过快,更不能在此时浇注凉水养护。


  结语

  本工程通过温度应力计算对结构在温度作用下产生的变形和内力有一个整体的、趋势上的把握,以明确结构上温度应力集中的部位,从而有的放矢地采取构造措施,合理设置后浇带和温度构造钢筋,采用补偿收缩混凝土及在环境温差、材料、混凝土生产技术和施工方面做好控制,而非对整体结构进行加强,不仅缩短了工期,降低了工程造价,避免有害裂缝出现,对使用功能更合理有效。现该工程结构已竣工,无明显温度裂缝出现,即本工程实现超长地下室结构的无缝设计,可供后期类似工程参考。


  【参考文献】

  【1】GB50010—2010混凝土结构设计规范[S].
  【2】吴健.超长地下室混凝土结构防裂技术措施研究[D].沈阳:沈阳建筑大学,2011.
  【3】GB50009—2012建筑结构荷载规范[S].
  【4】徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社2005.
  (来源:《工程建设与设计》2017)


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