大體積混凝土施工期間變形的有限元分析

鐘雪琳　李紫良

摘? 要：合理的施工方案和科學分析是保證結構安全經濟的重要手段。施工過程是一個伴隨結構形態和受力狀態不斷變化的動態過程，施工荷載加載和后期徐變都大大影響結構的施工全過程。通過對我司參與的杭州地鐵某停車場停車場按照施工順序采用有限元分析，解決常規設計中忽略施工階段對主體結構的影響，提出相關優化設計意見及施工控制措施、解決施工中常出現的質量通病。

關鍵詞：混凝土;溫度應力;徐變;收縮;設計優化;施工控制

中圖分類號：TU37? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 工程概況

杭州地鐵某停車場A區房屋長寬均大于100 m，為地上一層停車場庫房，帶上蓋開發。主體建筑采用柱下鉆孔灌注樁+承臺基礎;蓋上區域為18層住宅，總高68.5 m，蓋上住宅樓結構形式為剪力墻結構，在地上二層頂部進行梁式轉換，一層結構形式為框架剪力墻結構，建立的整體模型如圖1所示。上蓋物開為預留，不在車輛段設計、施工范圍。

A區大蓋層設置四條通長后澆帶分成9個區域，地梁后澆帶對應上部位置設置。施工順序有3步。1）階段一：澆筑樁基承臺、地梁（圖2）。2）階段二：階段一后42 d 澆筑除后澆帶外的二層大蓋（圖3）。3）階段三：階段一后45 d封閉后澆帶（圖4）。

由于大蓋為上部物開轉換層，與施工現場核對后，要求對大蓋及地梁、承臺進行驗算、查驗出溫度應力影響下的最不利位置的應力、應變情況，以便于提前采取措施進行干預控制，將變形控制在允許范圍內，減少裂縫出現。

科研組采用有限元對一層大蓋進行施工階段及一年內的混凝土收縮、徐變分析、按施工階段分段進行模擬計算。

其中，樁基、連梁、柱、梁采用梁單元模擬，承臺采用實體單元模擬，樓板采用板單元模擬。在實體單元與梁單元連接部位采用剛性連接來解決不同單元類型的連接問題，整體模型如圖1所示。

該工程按升溫15 ℃及降溫15 ℃考慮環境溫差，再考慮徐變效應后，按±9 ℃考慮環境溫差[1]。

2 計算結果

2.1 位移結果

在考慮施工階段作用下，該工程在考慮混凝土收縮情況下，收縮引起的變形為 施工階段一 承臺基礎變形不足1 mm;施工階段二（澆筑完成后第42天、后澆帶封閉前） 收縮變形為1.2 mm; 施工階段三（澆筑完成后300天） 施工及溫度組合下上部結構徐變（徐變變形為33 mm、位置出現在角部及邊緣應力較大處）在僅考慮施工過程引起的收縮情況下，該工程下部結構最大水平變形為3.71 mm，上部結構最大水平變形為4.51 mm。在考慮施工荷載及溫度效應組合下，下部結構最大水平變形為4.52 mm，上部結構最大水平變形為11.03 mm。

2.2 應力結果

該工程在考慮混凝土收縮的情況下，收縮引起得混凝土最大應力結果最不利出現在圖示樁頂位置處，該處承臺達到43 m，在兩側與樁相接處出現最大應力，為1.25 MPa，均小于抗拉設計強度1.71 MPa。按照配合比根據大體積混凝土裂控相關計算[2]推導出的溫度應力值顯示：承臺及樁基礎連接部位能夠滿足從澆筑到第28天抗拉強度，不會在該階段產生裂縫。

施工階段二中后澆帶尚未封閉，基礎、承臺、地梁應力基本同施工階段一。施工階段三，最不利出現在建筑物四周、尤其是4個角。樁基礎最大應力為2.45 MPa，超出抗拉強度設計值。在施工階段三，施工及溫度組合下拉梁最大主應力云圖（（MPa）最不利出現在2個大型承臺間，該處承臺長度達到43 m，在兩側與樁相接處由于溫度作用產生的最大應力為2.04 MPa，最終合攏后應力為1.89 MPa，均大于C40混凝土抗拉設計強度1.71 MPa，顯示該位置在后期后澆帶合攏后在混凝土的收縮徐變作用下將會產生裂縫。

最不利出現在后澆帶范圍內，在溫度荷載作用下最大應力為1.09 MPa，小于C40混凝土抗拉設計強度1.71 MPa。在施工荷載及溫度組合下最大應力為后澆帶及邊跨基本都小于1.4 MPa，僅應力集中處達到2.4 MPa，超出受拉強度設計值。綜上所述，在后澆帶封閉后，大體量建筑物在施工荷載及混凝土溫度荷載作用下引起的收縮情況有4個。1）樁基礎大部分為壓應力，但周邊樁基礎在荷載及溫度作用下顯示為受拉，其中4個角樁基礎拉應力最大為3.5 MPa，超出規范1.7 MPa的要求。2）承臺大部分應力小于1.7 MPa，與地梁相接處出現拉應力集中最大軸線應力為8.6 MPa，超出規范要求。3）承臺拉梁大部分應力小于1.7 MPa，僅個別位置最大軸向應力為2.04 MPa。4）上部結構樓板主拉應力基本小于1.7 MPa，但在柱與剪力墻陰角相交處的樓板出現應力集中區域，最大軸向應力為2.4 MPa。

3 原因分析

溫度荷載對水平構件的軸力起控制作用;大體量建筑物當長寬超出規范要求時，從樁基、承臺與拉梁相接處、較大承臺間的拉梁、上部板與柱子交接處均會出現不同應力超設計強度的情況;程度在一定時間內隨齡期的增加而發展。設計和施工應該盡量減少應力集中的情況出現。尤其是在分析過程中與對應各齡期內的混凝土抗拉強度進行實時比對，判斷計算結果是否滿足滿足要求，有5點建議。1）設計時宜將大承臺分隔為較小的單元。2）承臺周邊及四角樁基礎均應按照抗拔樁進行設計。3）橫向地基拉梁不宜貫通，大承臺側建議取消拉梁。4）大體積混凝土應當適度延長后澆帶的封閉時間。5）剪力墻與柱陰角相交處的板上下均應采用附加鋼筋網，并加強后期養護。

4 施工階段重點控制措施

工程施工階段前期對照計算結果，配合設計院進行重點區域的優化設計，建議在應力較大的橫向地梁中部增設沉降縫;并結合應力云圖，對超大承臺、后澆帶、剪力墻與柱陰角相交處結構等予以重點控制，通過拉長流水施工周期和時間間隔，預留足夠的應力發散和形變時間，加強構造配筋和溫控措施，優化混凝土配比及澆筑順序，重點區域單獨驗收并安排專人觀測及養護，減少了結構裂縫的產生。

建筑物從施工開始直至施工完成1～2年，大體量的混凝土構件受溫度、徐變、材料和相關荷載的影響，混凝土的抗拉強度會呈現動態變化，導致產生裂縫、出現質量通病。一直以來，施工、設計工程師們認真查驗的量化數據，以便于很好地控制。通過建立模型、實時模擬施工階段和使用階段的受力情況，查驗混凝土在收縮、徐變及強度的變化影響下的應力分析及變形情況，根據計算結果對照采取措施，避免產生質量通病。

參考文獻

[1]翁志海，徐才華.大體積混凝土抗裂措施淺析[J].建材與裝飾，2020（16）：1-2，4.

[2]江正榮.建筑施工計算手冊（第四版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2018：603-619.