高層混凝土結構地下室和樓板抗裂設計探析

【摘要】在高層混凝土結構配置受拉和受壓鋼筋的高梁中部，常出現棗核形裂縫。有些高層建筑地庫由于收縮和水化熱降溫較大，不僅外墻出現裂縫，框架大梁及樓板也出現大量貫穿性裂縫，形成這種裂縫的機理是由于被約束體大梁的變形受到約束體柱或墻的約束作用，并與內熱外冷形成約束應力裂縫。本文將針對高層混凝土結構地下室和樓板抗裂設計進行探討。

【關鍵詞】高層混凝土結構；地下室；樓板；抗裂

1.工程概況

某高層住宅共建設25層高層住宅6棟，10層小高層住宅5棟，建筑總面積36萬m2，在高層住宅底部建通廊的地下車庫，總長約160m，地下室底板厚35cm，用C30混凝土，底板考慮抗浮地下水位-2.8m，計算裂縫控制0.3mm。

從現場看，地下室底板滲水嚴重，即有明顯的裂縫滲水，在裂縫之間也有面滲，說明混凝土中有空鼓等現象致使混凝土結構不密實；底板雖做了找坡層，但滲水狀況還是很清晰，從現場已經開槽的滲水部位可看出這些部位的底板滲水嚴重，如車道口等部位因底板混凝土碎裂導致的滲水現象異常嚴重。究其成因，根據建設單位的介紹和現場觀測，成因大致如下：底板大量碎裂可能的成因主要是：底板厚度及混凝土的強度可能不夠，施工時可能存在振搗不均勻或漏振現象，導致混凝土收縮等。側墻及頂板開裂滲水，成因主要是振搗不均勻或漏振、墻面養護不夠等，即現場操作不到位致使底板裂縫嚴重，實測裂縫共32處，裂縫寬度從0.3～1.4mm，裂縫總長度達1350m。

2.高層混凝土結構地下室和樓板設計不合理

（1）墻體配筋不合理。許多地下室外墻鋼筋直徑過粗、間距過大，減小了對混凝土收縮的約束，造成了墻體裂縫。如某工程地下室外墻配筋為雙層雙向聲20@200，其外墻每隔5～6m就出現1道豎向裂縫。

（2）“后澆帶”設計不合理。未根據地基對底板的約束情況確定合理的后澆帶間距。某地下室最大邊長200m，中間僅設2道后澆帶（其最大間距達70m），且底板設有大量的抗浮錨桿，加大了對底板的約束作用，限制了混凝土的收縮變形，導致了地下室多處開裂和滲漏。另外，因后澆帶部位清理困難，若后澆帶設置過多，會形成較多的滲漏隱患。在底板后澆帶中采用鋼板止水帶，由于止水鋼板下部難以清理且混凝土不密實，易出現滲漏[1]。

（3）混凝土強度等級過高。某工程地下室外墻采用C50混現了裂縫。

（4）防水材料選擇不合理。由于地下工程的作業面潮濕、操作環境差，要求防水材料有較好的適應性。因此，一些工程盡管選擇了三元乙丙等高檔防水卷材，但其外防水效果卻很差。

3.高層混凝土結構地下室和樓板的抗裂設計

通過優化混凝土配合比，澆筑時有序地組織施工，即時進行二次振搗和壓抹消除結構淺表的早期塑性裂縫；按照信息化施工的原則進行保濕蓄熱養護，控制混凝土的內外溫差和降溫速率，使混凝土在溫度相對平穩、濕度較大的小氣候條件下硬化，可以有效地減少混凝土的溫度收縮變形，從而降低混凝土結構的溫度收縮應力，使大體積混凝土的裂縫得到有效的控制[2]。

有地下室的單體高層建筑和多塔高層建筑，地下室周邊的鋼筋混凝土外墻及墻外側土體對地下室都有一定的約束，從而在一定程度上限制了地下室的側向位移。考慮這一約束條件并對地下室結構的剛度和承載力進行加強調整，地震作用下高層建筑的塑性鉸就可能在地下室的頂板上部出現，從而在結構設計時可將地下室頂板作為嵌固部位考慮。

3.1地基基礎的補償性設計

在軟弱地基上建造采用淺基礎的高層建筑時，常常會遇到地基承載力或地基沉降不滿足要求的情況。采用補償性基礎設計是解決這一問題的有效途徑之一。

不妨將一艘航空母艦看成是一幢建筑物，我們會驚訝地發現該建筑物竟然可以建造在毫無抗剪強度的海水之中。船體之所以不會沉沒，是因為船甲板以下有足夠的空問，船體的重量被其所排開的水的重量置換了。同樣地，只要把建筑物的基礎或地下部分做成中空、封閉的形式，那么被挖去的土重就可以用來補償上部結構的部分甚至全部重量。這樣，即使地基極其軟弱，地基的穩定性和沉降也都很容易得到保證。按照上述原理進行的地基基礎設計，可稱為補償性基礎設計，這樣的基礎稱為補償性基礎。當基底實際平均壓力p（已扣除水的浮力）等于基底平面處土的自重應力 時，稱全補償性基礎；小于 ，稱超補償的；大于 為欠補償的。箱形基礎和具有地下室的筏形基礎是常見的補償性基礎類型。迄今為止，國外已成功地在深厚的軟土地基上采用補償性基礎建造了不少高層建筑。雖然補償性基礎設計使得基底附加壓力 大為減小，由 產生的地基沉降自然也大大減小甚至可以不予考慮，但基礎仍然存在沉降問題，因為在深基坑開挖過程中所產生的坑底回彈及隨后修筑基礎和上部結構的再加荷可能引起顯著的沉降。可以說，任何補償性基礎都不免有一定的沉降發生。

坑底的回彈是在開挖過程中連續、迅速發生的，因而無法完全避免，但如能減少應力的解除量，亦即減少膨脹，則再加荷時的隨后沉降將顯著減小，因為減少應力的解除，再壓縮曲線的滯后程度也將相應減小。

在第一階段，基坑只開挖到預定總深度的一半左右，這樣可以減少坑底回彈，同時也有利于坑底土體的穩定。為了進一步減少應力解除，還可以在基坑內布置深井進行抽水，以便大幅度降低地下水位，使地基中的有效自重壓力增加。

第二階段的開挖，采用重量逐步置換法。即按照箱基隔墻的位置逐個開挖基槽，到達基底標高后，在槽內澆筑鋼筋混凝土隔墻，讓墻體的重量及時代替挖除的土重。接著建造一部分上部結構，然后次第挖去墻間的土并澆搗底板，形成封閉空格后，立即充水加壓[3]。

基坑開挖時還需注意避免長時間浸水，開挖后應及時修建基礎，因為應力的解除會導致土中粘土顆粒表面的結合水膜增厚，使土體體積膨脹、坑底隆起，結果將加劇基礎的沉降。

3.2樓板強度驗算

地下室在施工期間，須確保其樓板在地下水浮力作用下具有足夠的強度和剛度，并滿足抗裂要求。地下室樓板（這里特指筏基）在使用期間通常是按倒樓蓋法進行內力分析的，但在施工期間，由于上部結構尚未建造，或上部結構已建造但其剛度尚未形成，故樓板的內力計算不能按倒樓蓋法進行，應結合具體情況選擇合適的計算簡圖。如果樓板的截面尺寸過大或配筋過多，可考慮在樓板下設置抗拔錨桿或抗拔樁以改變樓板的受力狀態。

結論

為減少高層建筑主樓與裙房間的差異沉降，施工時通常在裙房一側設置后澆帶，后帶的位置宜設在距主樓邊柱的第二跨內。這樣可以加大主樓基礎的底面積，減小基底力，同時基底壓力仍基本呈線性分布。后澆帶混凝土宜根據實測沉降值并在計算后期沉差能滿足設計要求后方可進行澆筑。后澆帶的處理方法與施工縫相同。

參考文獻：

[1]李黨義，李曦. 建筑施工過程中混凝土抗裂性問題及解決策略[J]. 商品混凝土，2013，05：119-120.

[2]孫紅偉. 水泥品質對混凝土抗裂性影響[J]. 山西建筑，2011，04：110-111.

[3]李軍，師瑞峰. 如何選擇混凝土抗裂措施的探討[J]. 內蒙古石油化工，2011，02：33-34.