某高層地下室結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計

李 波 李延剛

當(dāng)前建筑設(shè)計的發(fā)展對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提出越來越高的要求,設(shè)置變形縫要求縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)完全獨立,不僅給使用造成諸多不便,也加大了地下室防水的難度,因此大部分高層建筑地下室均不設(shè)置變形縫,而是通過其他途徑解決地下室超長以及主樓、裙樓間不均勻沉降的問題,一般稱之為“無縫設(shè)計”。本文整理了無縫設(shè)計的幾種基本方法,并分析了其優(yōu)缺點,結(jié)合本工程地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計過程,提出多種方法聯(lián)合作用實現(xiàn)不設(shè)變形縫的思路。

1 無縫設(shè)計的基本方法

1.1 伸縮縫

設(shè)置伸縮縫主要是為了釋放溫差和混凝土收縮、徐變產(chǎn)生的應(yīng)力,防止結(jié)構(gòu)開裂滲水。常用的替代伸縮縫的無縫設(shè)計基本方法包括后澆帶、加強(qiáng)帶、誘導(dǎo)縫、摻加外加劑和預(yù)應(yīng)力技術(shù)等。

后澆帶是代替伸縮縫最常用的方法,技術(shù)相對成熟。后澆帶只能解決混凝土的早期應(yīng)力問題,對于后澆帶澆筑后混凝土徐變和溫度應(yīng)力則不能發(fā)揮作用,而且從后澆帶留設(shè)到其混凝土澆筑,通常需要幾個月時間,這造成施工時的許多不便。且在澆筑封閉之前,后澆帶內(nèi)很容易落入雜物或在澆筑后澆帶兩側(cè)板時流入混凝土漿液。

誘導(dǎo)縫用于替代伸縮縫,可以有效釋放整個施工和使用期間產(chǎn)生的混凝土拉應(yīng)力,且混凝土一次性同時澆筑,不間斷施工。缺點在于誘導(dǎo)縫設(shè)置間距較小,布置靈活度較差。

摻加外加劑也是使用較多的方法,通常是在混凝土中添加一定比例的膨脹劑,在混凝土中建立“化學(xué)預(yù)壓應(yīng)力”,使用起來相對簡單,對施工其他過程影響小,常與其他方法聯(lián)合使用。

施加預(yù)應(yīng)力減少伸縮縫的設(shè)置,有針對性地設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋,通過施加預(yù)應(yīng)力來抵消混凝土收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力,從而達(dá)到減少伸縮縫和控制開裂的目的。隨著預(yù)應(yīng)力張拉和錨固技術(shù)的發(fā)展,預(yù)應(yīng)力施工難度大大下降,且易于人為控制整個地下室混凝土的應(yīng)力分布狀態(tài),因此在近年來不斷得到應(yīng)用推廣。其最大缺點在于施加預(yù)應(yīng)力必然在一定程度上提高工程造價。

1.2 沉降縫

高層建筑中主樓部分與裙樓部分層數(shù)相差懸殊,荷載與剛度相差很大,基礎(chǔ)沉降量不同。設(shè)置沉降縫主要是為了減小主樓與裙樓基礎(chǔ)的相互影響,釋放沉降差異造成的次應(yīng)力,避免地下室及裙房結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫甚至破壞。要取消高層建筑主樓與裙房地下室之間的沉降縫,常用“抗”“調(diào)”“導(dǎo)”三類方法。

1)當(dāng)基礎(chǔ)沉降量不大時,可通過加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu),抵抗不均勻沉降引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力,保證結(jié)構(gòu)的安全性,即“抗”的方法。2)當(dāng)具備一定的條件時采用樁基礎(chǔ),利用樁長、樁徑及樁型的不同,將沉降差調(diào)節(jié)到結(jié)構(gòu)允許的范圍內(nèi),即“調(diào)”的方法。3)用后澆帶將兩者基礎(chǔ)分開,等基礎(chǔ)完成部分沉降后再進(jìn)行澆筑,同時合理調(diào)整主樓與裙樓、地下室交接節(jié)點為鉸接節(jié)點,減小沉降差引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力,即“導(dǎo)”的方法。

2 工程實例

本工程地上22層,總高122.0 m,主體高96.0 m,地下 1層,層高4.6 m,裙房1層,為鋼結(jié)構(gòu)大堂,高12.7 m。主樓四周為單層停車場及設(shè)備用房,整個建筑平面為長方形,長邊長度達(dá)到99 m,短邊長50 m,主樓平面呈橢圓形,位于整個建筑平面中央偏西。

本工程地下室兩個方向尺寸均超過GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中伸縮縫的間距要求,并且主樓與裙房及地下室層數(shù)相差非常懸殊,在不設(shè)置變形縫的情況下,需要采取措施消除兩部分沉降差帶來的不利影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計中,首先對應(yīng)需要解決的問題分別采用Midas有限元分析軟件的GEN和SDS兩個模塊對地下室進(jìn)行分析,見圖1,圖2。從GEN的分析結(jié)果可以看出,在樁基礎(chǔ)約束下,底板和側(cè)壁在溫度變化時產(chǎn)生了較大的溫度應(yīng)力,在樁基礎(chǔ)約束作用較大的情況下,底板兩方向應(yīng)力較均勻,與結(jié)構(gòu)總長度關(guān)系不大;而地下室頂板由于建筑要求存在多處不連續(xù),溫度應(yīng)力分布不均勻,但應(yīng)力值并不大;從SDS的分析結(jié)果可以看出,在結(jié)構(gòu)自重作用下,主樓下方基礎(chǔ)的下沉量顯著大于單層地下停車場下基礎(chǔ),設(shè)置后澆帶后主樓基礎(chǔ)下沉量較周邊部分的基礎(chǔ)大8 mm～12 mm。

根據(jù)以上分析結(jié)果,實際設(shè)計中采用了無縫設(shè)計基本方法中的多種方法共同作用來解決溫度應(yīng)力和不均勻沉降帶來的問題。

1)設(shè)置后澆帶。本工程地下室頂板、底板相同位置設(shè)置了四道后澆帶,寬1 m,將主樓與裙房、地下室完全分開,并要求后澆帶在主樓封頂后澆筑封閉。設(shè)計時根據(jù)主體結(jié)構(gòu)自重下(不含墻體等圍護(hù)結(jié)構(gòu))沉降差計算值,預(yù)設(shè)主樓與地下室沉降差10 mm,實際后澆帶封閉澆筑時主樓與地下室沉降差約為8 mm,與計算分析結(jié)果相符。

除了調(diào)整主樓與裙樓、地下室之間的沉降差,這四道后澆帶還釋放了底板混凝土收縮和溫度變形所帶來的應(yīng)力。設(shè)置了這四道后澆帶也為主樓與地下室使用不同強(qiáng)度等級的混凝土提供了可能,實際設(shè)計中,主樓部分地下室底板與承臺采用C45混凝土,地下室其他部分為C35混凝土,這不僅與主樓部分大柱距(10 m)、地下室其他部分小柱距(6 m)的結(jié)構(gòu)布置形式相適應(yīng),同時降低了主樓底部墻柱與地下室底板混凝土強(qiáng)度等級差別,解決了主樓底部墻柱樁承臺連接時可能出現(xiàn)的局部承壓問題,使施工更加方便。

側(cè)壁上,與頂板、底板后澆帶連通的位置設(shè)置四道后澆帶,采用與底板相同的后澆帶形式。此形式的后澆帶可以配合設(shè)置施加預(yù)應(yīng)力,作為預(yù)應(yīng)力鋼筋的錨固端或張拉端。考慮到地下室長度不到100 m,不需要設(shè)置預(yù)應(yīng)力也可以較好地控制裂縫,本工程未采用預(yù)應(yīng)力方案。

2)適當(dāng)加強(qiáng)通長配筋。底板、頂板及側(cè)壁鋼筋均按通長布置,樓板中通過板后澆帶的鋼筋,做成雙層鋼筋并應(yīng)斷開搭接,搭接長度 Ld≥45d,澆灌板帶混凝土前將分離筋加焊。主筋較密時,則鋼筋不斷開,但后澆帶位置用附加短筋方式對板配筋進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。

3)摻加外加劑。地下室底板、頂板、側(cè)壁采用微膨脹混凝土,其中后澆帶內(nèi)摻HEA型材料12%,后澆帶外摻HEA型材料8%,摻量按膠凝材料總重量比計。

4)限制沉降總量。本工程地質(zhì)條件較好,經(jīng)驗算主樓位置總沉降量小于30 mm,故未另外采取措施。

5)主樓與裙樓、地下室頂板交接節(jié)點的調(diào)整。視情況對主樓與裙樓、地下室頂板交接處結(jié)構(gòu)節(jié)點進(jìn)行調(diào)整。

裙樓樓板和地下室頂板除后澆帶處加強(qiáng)配筋外,主樓邊緣支座處也對配筋進(jìn)行加強(qiáng),即采用“抗”的方式。鋼結(jié)構(gòu)大堂與主樓交接的節(jié)點采用鉸接節(jié)點,并在設(shè)計時考慮沉降差的影響,采用“導(dǎo)”的方式。

3 存在的問題

目前江門電視中心工程已經(jīng)封頂,后澆帶施工完畢,經(jīng)過多次大雨后地下室頂板、底板、側(cè)壁等各處均未出現(xiàn)裂縫滲水情況,業(yè)主使用方反映良好,但施工當(dāng)中仍發(fā)現(xiàn)一些問題,如后澆帶位置鋼筋較密,澆筑混凝土?xí)r留縫所用的泡沫填料難以取出,以后的設(shè)計中應(yīng)該設(shè)法解決。

4 結(jié)語

通過以本工程的無縫設(shè)計為例,說明通過做好各方面的計算分析,采取幾種措施聯(lián)合作用,高層建筑的超長地下室可以在不設(shè)置伸縮縫和沉降縫的情況下保證結(jié)構(gòu)的安全可靠和正常使用。

[1] GB 50108-2001,地下工程防水技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 王鐵夢.工程裂縫控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[3] JGJ 3-2002,J 186-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].