超長地下室混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制設(shè)計

1引言超長混凝土結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距的結(jié)構(gòu)。通常鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距：室內(nèi)或土中為55m；擋土墻、地下室墻壁等類結(jié)構(gòu)為30m。實際工程中，設(shè)置伸縮縫會對建筑的立面外觀效果、管道設(shè)備的安裝以及防水、保溫等方面產(chǎn)生影響，建筑師在建筑設(shè)計中希望不設(shè)或少設(shè)伸縮縫，特別是超長地下室混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計。要減少超長結(jié)構(gòu)的伸縮縫設(shè)置甚至不設(shè)伸縮縫，在設(shè)計時需采取相應(yīng)的措施，以消除對結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)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(chǔ)，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(shè)縫要求，為超長混凝土結(jié)構(gòu)。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(shè)計方案。3混凝土結(jié)構(gòu)裂縫成因分析混凝土結(jié)構(gòu)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(chǎn)生裂縫的原因主要有以下3種：(1)由外荷載引起的直接應(yīng)力引起的裂縫；(2)由外荷載作用，結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫；(3)有變形變化引起的裂縫。結(jié)構(gòu)由溫度、收縮、膨脹和不均勻沉降等因素因此的裂縫。大量調(diào)查資料表明，建筑結(jié)構(gòu)中的80%的裂縫都是由于結(jié)構(gòu)變形引起的，如溫度變形、混凝土收縮、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的裂縫控制設(shè)計至關(guān)重要。4溫度效應(yīng)分析超長地下室混凝土結(jié)構(gòu)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。考慮日照輻射和驟降溫差作用于結(jié)構(gòu)的時效性較短，對地下室結(jié)構(gòu)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(shè)置后澆帶等措施處理效果也得到相關(guān)研究的證實，而季節(jié)溫差對超長結(jié)構(gòu)的影響較為顯著，甚至是控制工況，因此本文溫度效應(yīng)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(jié)構(gòu)澆筑成型或形成約束時的初始平均溫度和后期可能經(jīng)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(shè)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(wù)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(jié)合當?shù)氐脑O(shè)計經(jīng)驗，一般考慮溫降為-25℃，故本文在進行溫度效應(yīng)分析時取季節(jié)溫差：ΔTy=-25℃4.2溫度效應(yīng)分析溫度應(yīng)力分析采用的是瞬態(tài)彈性方法，溫度變化對結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形、內(nèi)力的影響可等效為某種荷載作用，也稱為“等效荷載”，在結(jié)構(gòu)建模時，應(yīng)考慮混凝土徐變作用導(dǎo)致的混凝土應(yīng)力松弛，也即對溫度應(yīng)力產(chǎn)生卸載效應(yīng)，該效應(yīng)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(yīng)考慮混凝土裂縫引起的剛度退化，即混凝土構(gòu)件的剛度折減，該系數(shù)可取0.85。根據(jù)軟件計算結(jié)果，水平方向在溫降作用下，地下室結(jié)構(gòu)底板變形較小，主要考慮樁基礎(chǔ)及承臺對防水底板約束較強，以及土體對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的摩擦作用。地下室頂板結(jié)構(gòu)整體均向結(jié)構(gòu)中心位置收縮，結(jié)構(gòu)的最大位移出現(xiàn)在長向兩端部位，其最大值為23.68mm；結(jié)構(gòu)中心位置基本不出現(xiàn)位移變化，該計算結(jié)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(dǎo)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(yīng)力集中區(qū)域。在豎直方向上，地下室側(cè)墻結(jié)構(gòu)底部位移較小，位移隨著與基底距離的加大而增大，溫度應(yīng)力分布規(guī)律則是墻底部應(yīng)力值大，隨著墻高增加應(yīng)力逐步減少，墻底與底板的連接區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。分析原因有：側(cè)墻底部與底板的連接設(shè)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(cè)墻尚未澆筑或未封閉，側(cè)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(yīng)力是偏大的。在設(shè)計時，考慮墻體側(cè)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(yīng)力作用一般不會影響結(jié)構(gòu)的正常使用，但偏安全考慮，尚應(yīng)采取加強措施。5裂縫控制設(shè)計根據(jù)上述分析結(jié)果，超長混凝土結(jié)構(gòu)混凝土收縮和溫度作用效應(yīng)明顯，由于溫差和體積變化，將引起較大的約束應(yīng)力和開裂，對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和裂縫影響較大，因此，應(yīng)采取有效措施來減少超長地下室結(jié)構(gòu)的混凝土收縮和溫度變化，本工程的裂縫控制設(shè)計所采取的控制措施如下。5.1設(shè)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(jié)構(gòu)由于自身收縮不均或沉降不均可能產(chǎn)生的有害裂縫，是規(guī)范推薦的處理超長結(jié)構(gòu)的技術(shù)措施。后澆帶應(yīng)采用比兩側(cè)混凝土強度高一級的補償收縮混凝土澆筑，膨脹劑應(yīng)選擇硫鋁酸鈣類膨脹劑。后澆帶中的混凝土應(yīng)在兩側(cè)結(jié)構(gòu)單元澆筑60d后再澆注。后澆帶平面位置見結(jié)構(gòu)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(gòu)造鋼筋本工程根據(jù)溫度應(yīng)力分析結(jié)果，對于溫度作用影響明顯的區(qū)域增配構(gòu)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(gòu)造配筋，并采用適當提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋率或采用通長配筋等構(gòu)造手段，如超長方向梁兩側(cè)腰筋間距不大于150mm，每側(cè)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(shè)直徑為10mm的水平附加鋼筋，伸入墻內(nèi)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(nèi)外溫差，從而控制由溫差產(chǎn)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(yīng)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(guān)的梁、柱、基礎(chǔ)，采用補償收縮混凝土。補償收縮混凝土應(yīng)采用雙層雙向配筋，凈高度大于3.6m的地下室外墻，應(yīng)在墻體高度的水平中線部位上下500mm范圍內(nèi)，水平筋的間距調(diào)整為100mm。5.5施工措施1）施工單位應(yīng)編制具體詳細的超長地下室施工方案及質(zhì)量控制措施，并組織專門論證。2）混凝土配合比應(yīng)經(jīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)按受拉鋼筋的要求連接。5）按照相關(guān)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(jié)語本工程通過溫度應(yīng)力計算對結(jié)構(gòu)在溫度作用下產(chǎn)生的變形和內(nèi)力有一個整體的、趨勢上的把握，以明確結(jié)構(gòu)上溫度應(yīng)力集中的部