地下室底板大體積混凝土分塊施工的有限元分析

嚴再春 李 兵 閆雁軍 李鑫奎

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海建工七建集團有限公司 上海 200050

上海董家渡項目地下室底板大體積混凝土采用施工縫分塊施工，其原理和跳倉法類似，可有效避免后澆帶施工帶來的諸多弊端[1-6]。本文通過有限元方法模擬該工程混凝土不同澆筑分塊區(qū)域設置后澆帶和采用施工縫分塊施工2種施工方案，對比分析梁板不同分塊混凝土結(jié)構(gòu)在底板澆筑后至主樓施工完成時的應力變化情況，以期為該項目施工提供一定的工程理論指導。

1 工程概況

背景工程位于上海市黃浦區(qū)中心地帶，占地總面積為167 510 m2，總建筑面積約1 137 000 m2，董家渡路將項目分為南北2個地塊，本次計算選擇北（A）地塊作為研究對象（圖1）。A地塊上有2棟高層建筑，分別為14層（A1，標高74.2 m）和9層（A2，標高50.5 m），地下室3層（19 m），基礎底板核心區(qū)分別為1.5 m （A1）和1.3 m（A2），其余區(qū)域厚度1.0 m；后澆帶厚1 000 mm。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算目的

圖1 董家渡項目A地塊

為防止基礎混凝土底板后澆帶改施工縫分塊澆筑后，因結(jié)構(gòu)自重、收縮徐變而出現(xiàn)有害裂縫，對比分析施工縫分塊施工、設置后澆帶2種混凝土澆筑方法的區(qū)別，采用有限元方法分析對比2種澆筑方法在不同施工過程中對基礎底板變形及結(jié)構(gòu)應力的影響程度。

2.2 計算假定

1）混凝土材料收縮函數(shù)、徐變函數(shù)、彈性模量、抗拉強度隨齡期變化規(guī)律按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》取用。

2）基礎底板結(jié)構(gòu)按照設置后澆帶和施工縫分塊施工，按照分塊澆筑方案設置不同的施工工況。

3）不考慮混凝土水化熱溫升作用。

4）板梁結(jié)構(gòu)施工時，柱已達到強度設計值，不考慮柱收縮及徐變因素。

5）忽略樓梯以及樓板洞口影響。

6）忽略鋼筋對提高混凝土極限拉伸的影響。

2.3 材料屬性及混凝土配合比

根據(jù)計算假定，不考慮柱的收縮、徐變及其強度變化特性，依據(jù)結(jié)構(gòu)設計圖紙，各構(gòu)件混凝土材料強度等級在C30～C60之間不等。其中基礎底板混凝土為C35P8，后澆帶施工提高一個等級混凝土，計算取C40微膨脹混凝土。采用歐洲規(guī)范CEB—FIP1990混凝土抗壓強度發(fā)展函數(shù)來模擬混凝土抗壓強度，混凝土收縮應變曲線亦采用歐洲規(guī)范CEB—FIP1990規(guī)范的有關規(guī)定（圖2）。

圖2 混凝土特性曲線

圖3 設置后澆帶施工工況劃分

2.4 計算模型、單元屬性、荷載邊界

利用Midas Gen軟件對其結(jié)構(gòu)（梁、板、柱、基礎底板）進行建模，有限元計算模型共計10 672個節(jié)點，20 739個單元，其中梁單元10 250個，板單元6 249個，實體單元4 240個。梁、柱采用梁單元模擬，樓板、剪力墻采用板單元模擬，基礎底板采用實體單元模擬。

考慮結(jié)構(gòu)自重、基礎底板混凝土收縮、徐變的影響，不考慮混凝土水化熱溫升作用。基礎結(jié)構(gòu)周圍約束x、y，允許豎向z變形，通過設置土彈簧單元來模擬結(jié)構(gòu)變形。

2.5 施工階段劃分與計算工況設置

根據(jù)施工方案，無論是設置后澆帶方案還是施工縫分塊方案，均將整個施工階段劃分為第1塊基礎底板澆筑，第2塊基礎底板澆筑，第3塊基礎底板澆筑，第4塊基礎底板澆筑，地下室B0～B3施工完成，后澆帶封閉施工完成，A1、A2主樓施工完成共7個階段（施工縫分塊方案則無施工階段6，詳見圖3）。

2.6 計算結(jié)果與分析

本文在同時考慮基礎底板混凝土的收縮徐變作用、結(jié)構(gòu)自重的因素下對結(jié)構(gòu)整個施工過程進行計算分析。由于有限元邊界約束較為復雜，結(jié)構(gòu)邊緣處容易出現(xiàn)應力集中，應力值可能會出現(xiàn)較大的數(shù)值，此數(shù)據(jù)不作為整體結(jié)構(gòu)安全評判依據(jù)，即數(shù)據(jù)分析時不考慮邊界處畸形應力值，綜合考慮邊界內(nèi)部的基礎底板應力變化，來評判整體結(jié)構(gòu)受力情況。

2.6.1 設置后澆帶施工工況計算分析

在設置后澆帶澆筑基礎底板混凝土時，通過有限元對不同施工工況下的基礎底板、后澆帶等結(jié)構(gòu)進行變形及應力分析（圖4、圖5）。

圖4 設置后澆帶澆筑方案不同施工階段底板結(jié)構(gòu)應力云圖

圖5 A1、A2施工完成時后澆帶應力、變形示意

由圖4、圖5可知，在基礎底板設置后澆帶混凝土澆筑方案時，通過有限元方法對沉降變形及應力進行分析。在施工工況6，除外圍約束邊界外的內(nèi)側(cè)基礎底板結(jié)構(gòu)最大拉應力值為2.51 MPa；后澆帶封閉及地下室未施工、基礎結(jié)構(gòu)底板全澆筑完15 d時底板結(jié)構(gòu)最大拉應力值為1.39 MPa；待A1、A2主樓全部梁板柱結(jié)構(gòu)施工封頂完成時，基礎底板結(jié)構(gòu)最大拉應力為3.18 MPa，此時后澆帶最大拉應力值為1.76 MPa，后澆帶結(jié)構(gòu)兩側(cè)z向變形最大值為18 mm，兩側(cè)變形差值最大為2.54 mm，基本可認為是同步沉降變形。

2.6.2 采用施工縫分塊施工工況計算分析

在施工縫分塊施工（不設置后澆帶）澆筑基礎底板混凝土時，對各施工工況下的基礎底板進行結(jié)構(gòu)應力分析（圖6）。

圖6 采用施工縫澆筑方案不同施工階段底板結(jié)構(gòu)應力云圖

由圖6可知，在施工縫分塊施工（不設置后澆帶）澆筑基礎底板混凝土時，通過有限元方法進行應力分析。在施工工況5，除外圍約束邊界外的內(nèi)側(cè)基礎底板結(jié)構(gòu)最大拉應力值為2.19 MPa；待A1、A2主樓全部梁板柱結(jié)構(gòu)施工封頂完成時，基礎底板結(jié)構(gòu)最大拉應力為3.49 MPa。

2.6.3 2種澆筑方案混凝土受力對比

通過有限元方法對設置后澆帶和采用施工縫分塊施工2種混凝土澆筑方案進行仿真模擬，分析其對基礎底板結(jié)構(gòu)應力、沉降變形的差異對比，各施工工況下基礎底板結(jié)構(gòu)對應的應力值，如表1所示。

表1 2種澆筑方案下各施工階段基礎底板應力最大值（MPa）

由表1可知，通過有限元理論計算分析，在同時考慮結(jié)構(gòu)自重、混凝土收縮徐變影響下，設置沉降后澆帶對基礎底板產(chǎn)生的拉應力最大值要比分塊施工的拉應力最大值小些，兩者最值相差在10%左右。由于是理論計算分析，在忽略一些諸如混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋對抵抗裂縫有助影響的前提下，計算出的基礎底板拉應力最大值偏大。因此，通過計算數(shù)據(jù)定性對比分析，設置后澆帶和施工縫分塊施工2種澆筑方案在基礎底板結(jié)構(gòu)應力變化幅度趨勢，能說明本工程如果不設置后澆帶而改用施工縫分塊施工澆筑基礎底板是可行的。

3 結(jié)語

本文以上海董家渡項目北地塊地下室底板大體積混凝土結(jié)構(gòu)為背景，通過有限元方法仿真模擬混凝土在設置后澆帶和采用施工縫分塊2種澆筑施工方案，對比分析了地下室梁板結(jié)構(gòu)在主樓施工完成時的應力變化情況，為結(jié)構(gòu)施工提供了理論支撐。

計算表明，采用施工縫分塊施工和設置后澆帶施工2種方案，其基礎底板產(chǎn)生的拉應力最值相差10%左右，說明施工縫分塊施工澆筑基礎底板完全可行。