某地下車庫結構柱開裂原因的分析及防治

苗 青

（山西工程職業學院，山西 太原 030000）

隨著我國經濟建設水平不斷提高，城市居民有車比例大幅增加，地下車庫因其空間利用率高、儲物空間大、成本低等原因，越來越受到開發商的重視。地下車庫一般采用鋼筋混凝土結構，由于其所處位置的特殊性，容易受水文地質條件影響。同時，其作為連接上部結構與基礎的中間環節，承受上部結構的全部荷載，在整個結構中受力最大。而地下混凝土結構一旦產生裂縫，不僅影響車庫正常使用、降低建筑物的耐久性、承載力，甚至會造成重大安全事故。所以，分析地下車庫受力構件產生裂縫的原因，并提出預防和控制措施十分重要。

本文以某小區地下車庫框架結構為例，運用Abaqus有限元分析軟件，建立不同配筋率的框架柱模型，分析該結構模型在設計和實際覆土偏載作用下的內力響應及裂縫展開情況，并對實際覆土偏載作用下不同配筋情況下的構件裂縫展開進行了對比分析，提出相應設計建議。

1 模型建立

1.1 結構模型

用1-Q～1-L軸線、1-14～1-35軸線對小區地下車庫進行建模。車庫采用框架結構，地下只有一層。構架柱尺寸5m×8m，柱網為5m×8m，底板為300mm×600mm，底板為-5.25mm，頂板為現澆鋼筋混凝土板，板厚250mm，板頂標高-0.5m，柱截面為550mm×600mm，柱的頂板高度為4.75m。經模型試算，在設計覆土荷載作用下，無底板模型與有底板模型的計算結果基本一致，故計算采用無底板模型。

采用Abaqus有限元軟件對結構進行分析。柱、梁、板均采用強度等級為C30的混凝土，根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010），其密度為2 400kg/m3，彈性模量為3.0×104MPa。柱、梁、板的受力筋均選用HRB400級鋼筋，其密度為7 850kg/m3，彈性模量為2×105MPa，采用混凝土塑性損傷模型。

1.2 荷載選取

設計覆土荷載按照荷載規范和設計勘察結果取值，荷載布置為全板均布荷載，實際覆土偏載根據建筑圖紙中實際景觀布置的位置和大小布設，結構尺寸及局部景觀如圖1，荷載取值見表1。

圖1 結構尺寸及局部景觀布置圖

表1 荷載情況統計

1.3 約束條件設置

考慮實際工程中所采用的基礎形式，柱底采用完全固定的邊界約束，即約束其兩個水平向、一個豎向的位移及彎曲，這與實際情況相符合。車庫頂板邊界的約束條件為：約束其兩個水平方向的位移，不約束其豎向位移，即允許其產生垂直于板面的縱向位移。

1.4 模型選取

地下室混凝土柱主要承受上層結構的豎向荷載，故一般軸力大、彎矩小，工程中基本都是按最小配筋率構造配筋，但實際使用過程中，混凝土柱經常出現開裂的情況。為分析配筋率的影響，分別取配筋率為0.2%和0.4%進行計算。本文根據不同框架柱配筋分別建立了2個模型，進行設計覆土荷載和實際覆土偏載兩種不同荷載下的結構分析計算，具體條件如表1所示。對比分析裂縫產生的影響因素、影響大小及內力分布情況，并提出設計建議。

2 計算結果分析

2.1 框架柱的內力和裂縫分析

表2統計了各種工況下地下車庫框架柱混凝土的最大拉應力值，通過對比分析可得出，當混凝土柱頂端出現局部裂縫時，設計覆土荷載下最大拉應力為11.03 MPa，大于混凝土的抗拉強度值1.43 MPa；覆土實際偏載作用下的最大拉應力為12.41 MPa，與設計荷載相比，提高了12.5%左右，應力最大值仍出現在混凝土柱頂端。對比不同配筋率模型在實際荷載下的計算結果，可發現配筋率在0.4%時的拉應力約為配筋率為0.2%時的92.9%，說明在相同荷載下，提高配筋率有利于控制裂縫。

表2 最大拉應力統計

2.2 框架梁的內力和裂縫分析

通過對比分析表2可得出：設計覆土荷載下最大拉應力為5.01 MPa，大于混凝土的抗拉強度值1.43 MPa，此時混凝土梁出現裂縫，通常發生在跨中區域；在實際覆土偏載作用下最大拉應力為5.66 MPa，比設計荷載下增加了約13%，這是由于設計時考慮到景觀荷載所致；當框架柱配筋率提高時，框架柱的最大拉應力值減少了約5%，表明提高柱的配筋率對框架梁的裂縫控制有明顯效果。

2.3 地下車庫頂板內力和裂縫分析

通過對比分析表2可得出，設計覆土荷載下，當板的最大拉應力為4.08 MPa，大于混凝土的抗拉強度值1.43 MPa時，混凝土板出現裂縫，通常發生在板的中心區域；在實際覆土偏載作用下，板的最大拉應力為4.67 MPa，比設計荷載能力提高了約14%，這是由于設計時考慮景觀荷載所致；當框架柱的配筋率提高時，地下室頂板的混凝土最大拉應力降低了約4.1%，說明提高柱的配筋率，對地下室頂板的裂縫控制有顯著效果。

3 設計建議

（1）在構造設計時，設計覆土荷載的大小和分布應盡量符合實際覆土偏載，具體問題具體分析。

（2）對于復雜結構不能協調荷載作用的情況，可在地下車庫結構設計過程中適當提高其最低配筋率，以減緩地下車庫受力構件裂縫的發展，并根據軟件分析結果，確定合理的配筋率范圍。

（3）在建筑設計階段就要考慮到裂縫的影響，減少景觀布置等情況帶來的覆土偏載情況，如果不能減少，應盡量降低不同區域的荷載差異，以控制框架受力構件的裂縫問題。

4 結語

本文以某小區框架結構地下室為算例，對比分析了該結構在設計覆土荷載和實際覆土偏載作用下結構梁、柱、板等結構構件的內力響應及裂縫發展情況，得出如下結論。

一是地下車庫各受力構件的應力分布與荷載的分布情況、大小有關，框架梁柱節點受力最大，該處在工程使用過程中也最易受損。二是實際覆土偏載作用下梁、板、柱的裂縫發展程度明顯高于設計覆土荷載作用下受力構件的發展程度，這表明，結構設計覆土荷載和實際覆土偏載的差異是引起實際工程在使用過程中框架柱出現裂縫的直接原因，并且荷載的分布情況與大小，除了影響結構的內力響應，也對混凝土裂縫產生有直接影響。三是對于框架柱配筋率高的結構，實際覆土偏載作用下梁、板、柱的裂縫情況明顯低于低配筋率結構受力構件的裂縫情況。因此，在合理范圍內提高框架柱的最低配筋率有利于框架柱、梁和車庫頂板的裂縫控制，有利于抵御不均勻的覆土偏載，配筋率越高，效果越明顯。