超長地下室混凝土結構裂縫控制設計

1引言超長混凝土結構是指結構單元長度超過了規(guī)范(下文簡稱的規(guī)范均指本規(guī)范)所規(guī)定的鋼筋混凝土結構伸縮縫最大間距的結構。通常鋼筋混凝土框架結構伸縮縫的最大間距：室內或土中為55m；擋土墻、地下室墻壁等類結構為30m。實際工程中，設置伸縮縫會對建筑的立面外觀效果、管道設備的安裝以及防水、保溫等方面產生影響，建筑師在建筑設計中希望不設或少設伸縮縫，特別是超長地下室混凝土結構設計。要減少超長結構的伸縮縫設置甚至不設伸縮縫，在設計時需采取相應的措施，以消除對結構可能產生的不利影響。2工程概況某研發(fā)中心一期工程位于蘇州高新區(qū)科技城北部，地下一層，長約280m，寬約109m，采用樁承臺基礎，地下室底板采用無梁防水板。地下室遠遠超過《規(guī)范》規(guī)定的設縫要求，為超長混凝土結構。蘇州地區(qū)地下水豐富，根據(jù)勘察報告，鉆探期間量測的潛水穩(wěn)定水位埋深在地面以下0.2～1.2m之間，水位受季節(jié)性變化影響較大，年變化幅度在0.5m左右?？紤]到地下室防水問題，建筑專業(yè)確定采用無縫設計方案。3混凝土結構裂縫成因分析混凝土結構在使用過程中承受兩大類荷載，有各種外荷載和變形荷載（溫度、收縮、不均勻沉降）。產生裂縫的原因主要有以下3種：(1)由外荷載引起的直接應力引起的裂縫；(2)由外荷載作用，結構次應力引起的裂縫；(3)有變形變化引起的裂縫。結構由溫度、收縮、膨脹和不均勻沉降等因素因此的裂縫。大量調查資料表明，建筑結構中的80%的裂縫都是由于結構變形引起的，如溫度變形、混凝土收縮、結構的不均勻沉降等因素，而20%的裂縫才是荷載作用引起的。前述80%的裂縫包括變形變化與荷載共同作用，但以變形變化為主。因此控制溫度變形、混凝土收縮引起的裂縫，對混凝土結構的裂縫控制設計至關重要。4溫度效應分析超長地下室混凝土結構在施工及后期使用期間，難免會受到外界溫度變化的影響。溫度變化的因素主要有：日照輻射、氣溫驟降、季節(jié)性溫度變化等?？紤]日照輻射和驟降溫差作用于結構的時效性較短，對地下室結構不起控制作用，在實際工程分析中一般不考慮，施工期或使用早期的混凝土收縮通過設置后澆帶等措施處理效果也得到相關研究的證實，而季節(jié)溫差對超長結構的影響較為顯著，甚至是控制工況，因此本文溫度效應分析主要考慮季節(jié)溫差的影響。4.1溫度荷載取值季節(jié)溫度變化是漸變的過程，其取值一般按混凝土結構澆筑成型或形成約束時的初始平均溫度和后期可能經歷的溫度變化的差值進行計算，具體計算公式為：ΔTy=T0-Tmax(Tmin)。設計過程季節(jié)溫差多取可能出現(xiàn)的最不利情況，即最高與最低月平均溫度的變化值作為年溫變化幅度。根據(jù)中國氣象局公共氣象服務中心提供的蘇州市氣象資料，蘇州市1月平均氣溫最低，為3.7℃；7月平均氣溫最高，為27.8℃。同時，結合當?shù)氐脑O計經驗，一般考慮溫降為-25℃，故本文在進行溫度效應分析時取季節(jié)溫差：ΔTy=-25℃4.2溫度效應分析溫度應力分析采用的是瞬態(tài)彈性方法，溫度變化對結構構件變形、內力的影響可等效為某種荷載作用，也稱為“等效荷載”，在結構建模時，應考慮混凝土徐變作用導致的混凝土應力松弛，也即對溫度應力產生卸載效應，該效應的松弛折減系數(shù)參考文獻[4]中的建議值取0.3。此外，尚應考慮混凝土裂縫引起的剛度退化，即混凝土構件的剛度折減，該系數(shù)可取0.85。根據(jù)軟件計算結果，水平方向在溫降作用下，地下室結構底板變形較小，主要考慮樁基礎及承臺對防水底板約束較強，以及土體對結構產生一定的摩擦作用。地下室頂板結構整體均向結構中心位置收縮，結構的最大位移出現(xiàn)在長向兩端部位，其最大值為23.68mm；結構中心位置基本不出現(xiàn)位移變化，該計算結果與實際情況基本一致。此外，由于頂板開洞及地下室墻體約束，導致樓板開洞處的短邊附近、墻體與樓板交接部位以及距離較近的洞口之間也出現(xiàn)明顯的小范圍應力集中區(qū)域。在豎直方向上，地下室側墻結構底部位移較小，位移隨著與基底距離的加大而增大，溫度應力分布規(guī)律則是墻底部應力值大，隨著墻高增加應力逐步減少，墻底與底板的連接區(qū)域出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。分析原因有：側墻底部與底板的連接設計為剛接，底板對墻體底部有較強約束作用，變形受限不能自由收縮，同時考慮底板混凝土初期收縮階段地下室側墻尚未澆筑或未封閉，側墻對底板的約束尚未形成，且后澆帶的存在使得底板可以自由收縮，因此，計算的底板溫度應力是偏大的。在設計時，考慮墻體側向水土荷載的作用，一般是正常使用極限狀態(tài)控制，配筋往往較大，故底部的溫度應力作用一般不會影響結構的正常使用，但偏安全考慮，尚應采取加強措施。5裂縫控制設計根據(jù)上述分析結果，超長混凝土結構混凝土收縮和溫度作用效應明顯，由于溫差和體積變化，將引起較大的約束應力和開裂，對結構內力和裂縫影響較大，因此，應采取有效措施來減少超長地下室結構的混凝土收縮和溫度變化，本工程的裂縫控制設計所采取的控制措施如下。5.1設置后澆帶采用后澆帶分段施工的方式，可防止現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構由于自身收縮不均或沉降不均可能產生的有害裂縫，是規(guī)范推薦的處理超長結構的技術措施。后澆帶應采用比兩側混凝土強度高一級的補償收縮混凝土澆筑，膨脹劑應選擇硫鋁酸鈣類膨脹劑。后澆帶中的混凝土應在兩側結構單元澆筑60d后再澆注。后澆帶平面位置見結構平面布置圖紙。后澆帶部位的梁鋼筋不截斷，板鋼筋搭接。5.2增配構造鋼筋本工程根據(jù)溫度應力分析結果，對于溫度作用影響明顯的區(qū)域增配構造鋼筋。在形狀曲折、剛度突變、孔洞凹角等溫度變化影響較大的部位增加構造配筋，并采用適當提高結構構件配筋率或采用通長配筋等構造手段，如超長方向梁兩側腰筋間距不大于150mm，每側腰筋面積不小于梁寬與腹板高度乘積的0.15%；墻體水平筋間距不大于150mm，并比比計算配筋提高20%的配筋量，墻與柱、墻與墻的連接部位增設直徑為10mm的水平附加鋼筋，伸入墻內1500mm；頂板、底板通長配筋，并比計算配筋提高20%的配筋量等。5.3保溫隔熱措施地下室頂板和周邊擋土墻采取建筑保溫隔熱措施，以降低使用期間地下室內外溫差，從而控制由溫差產生的裂縫。5.4混凝土材料要求1）采用低熱硅酸鹽水泥，嚴格控制水泥用量，每立方混凝土的水泥用量不超過350kg。2）禁止使用礦粉，粗骨料采用連續(xù)級配，細骨料采用中砂，應控制粗、細骨料的含泥量。3）采用粉煤灰混凝土，并摻入一定量的緩凝劑及高效減水劑。4）混凝土采用60d或90d強度，控制混凝土的早期強度，要求12h抗壓強度不高于6kN/mm2，24h抗壓強度不高于10kN/mm2。5）地下室外墻、底板、頂板及相關的梁、柱、基礎，采用補償收縮混凝土。補償收縮混凝土應采用雙層雙向配筋，凈高度大于3.6m的地下室外墻，應在墻體高度的水平中線部位上下500mm范圍內，水平筋的間距調整為100mm。5.5施工措施1）施工單位應編制具體詳細的超長地下室施工方案及質量控制措施，并組織專門論證。2）混凝土配合比應經過試配確定。嚴格控制水泥用量、混凝土單位用水量。3）根據(jù)施工季節(jié)確定合理的混凝土澆筑時間，應在相對低溫的情況下澆筑混凝土，并控制混凝土的入模溫度。設法降低混凝土的水化熱溫升、里表溫差及降溫速率，冬施混凝土成型前后須進行溫控計算和測試。4）樓板的通長鋼筋、主次梁的通長鋼筋，不論上、下筋均應按受拉鋼筋的要求連接。5）按照相關規(guī)范要求采取切實可行有效的混凝土養(yǎng)護措施。6）盡量晚拆模，拆模時的混凝土溫度（由于水泥水化熱引起的）不能過高，以免接觸空氣時降溫過快，更不能在此時澆注涼水養(yǎng)護。6結語本工程通過溫度應力計算對結構在溫度作用下產生的變形和內力有一個整體的、趨勢上的把握，以明確結構上溫度應力集中的部