超長地下車庫溫度應力及裂縫控制分析

黃小崗

安徽地平線建筑設計有限公司，安徽 合肥 230061

1 超長地下室溫度應力分析

1.1 工程項目概況

亳州市某住宅小區單層地下車庫，平面尺寸為380m×210m（長×寬），地上19棟高層住宅。其中，塔樓、純地庫的結構形式分別為現澆剪力墻結構、現澆混凝土框架結構。地上塔樓平均間距為45m，無結構縫。地庫平面圖如圖1所示。

圖1 超長地下室平面圖

1.2 季節降溫的溫度作用計算

引起結構溫度變化的因素有很多種，包括大氣氣溫變化、太陽的輻射及周邊熱源情況等。由于該工程為地下工程，頂板上有1.2m厚的覆土，太陽輻射及熱源影響因素較小，氣溫變化成為影響結構溫度變化的主要因素。同時，溫度變化包含均勻溫差、線性梯度溫差及非線性溫差，其中非線性溫溫差引起系統自平衡內力，結構構件中不產生凈荷載效應；而地下室頂板上有覆土層保護，梯度溫差影響較小，可忽略影響；均勻溫差主導了結構的變形，對溫度作用起到控制作用，對結構影響最為顯著。文章僅以均勻溫差下的溫度應力為研究重點，完成相應的分析工作。

（1）溫差計算。文章研究的工程分兩期開工，地下室結構施工工期為半年左右，沉降后澆帶的封閉時間大概推定在溫度相對較低的11月份。該工程所在區域基本氣溫最低值為-8℃（1月份），基本氣溫最高值為37℃（7月份），考慮到施工進度的安排，后澆帶合龍溫度設定為10～15℃。初定夏季地下室的室內外溫差取10℃，冬季地下室的室內外溫差取5℃，則結構的最高溫度Ts,max=27℃，結構的最低溫度Ts,min=-3℃。結合現行國標《建筑結構荷載規范》（GB 5009—2012）中的相關條文按照以下公式計算季節溫差。

季節最大升溫溫差△Tk1的計算公式如下：

季節最大降溫溫差△Tk2的計算公式如下：

式中：T0,min、T0,max分別為后澆帶合龍時初始最低、最高溫度。

經計算，季節最大升溫溫差△Tk1=17℃，季節最大降溫溫差△Tk2=-18℃。

式中：M1、M2、M3、…M10為非標準狀態條件下的各項修正系數，該工程結合工程實際狀況取M1M2M3…M10=1.303，由于篇幅限值，文章未進行列表計算。

依據公式（3），可知該工程混凝土最大極限收縮量εy(∞)=3.24×10-4×1.303=4.22×10-4。

混凝土澆筑60d后的收縮量εy(t)根據以下公式計算：

式中：b為經驗系數，該工程取值0.01；t為澆筑時間，d。

經計算，混凝土澆筑60d后的混凝土收縮量εy(t)=4.22×10-4×(1-e-0.01×60)=1.904×10-4。

（3）混凝土剩余收縮當量溫差。該工程混凝土澆筑60d后的剩余收縮當量溫差△T’根據以下公式計算：

式中：αc為線膨脹系數，取1×10-5/℃。

經計算，混凝土澆筑60d后的剩余收縮當量溫差△ T’=[εy(∞)-εy(60)]÷αc=23.16℃。

（4）考慮徐變影響的綜合剩余收縮當量溫差。考慮到混凝土徐變有利作用，對計算出的混凝土剩余收縮當量溫差進行折減。該工程計算時采用松弛系數折減，松弛系數取0.30，地下室頂板混凝土綜合剩余收縮當量溫差為0.30×（23.16+18）=12.35℃。

1.3 有限元分析

采用YJK有限元軟件建模分析季節溫降為-13℃的溫度應力，具體模型如圖2所示。模型僅建一層地下結構，設置樓板為彈性板。主要計算參數如下：混凝土強度等級為C30；鋼筋強度等級為HRB400，設計強度fy為360N/mm2；混凝土熱膨脹系數為1×10-5/℃。

圖2 有限元分析模型

降溫單工況下應力分布圖呈現以下特征：X、Y向兩個方向的應力值均呈現中部區域大，兩端小的特點，端部小范圍局部存在壓應力；Y向中部區域應力值多集中在2.4～2.9MPa，而X向中部區域應力值多集中在1.6～2.0MPa，很明顯Y向中部區域的應力值要比X方向大很多；在主樓剪力墻位置及人防墻的位置，由于存在豎向構件的約束作用，其應力值普遍比其余區域應力大很多。同時可觀察到，一個地庫剖面上的中部區域應力水平和兩端的豎向構件約束剛度存在正向關系，當兩端布置豎向構件較多，尤其是主樓位于地庫邊緣時，對樓板水平約束越大，中部區域的應力值水平越高。因此，結構還需配置通長溫度鋼筋來抵抗溫度應力對結構的不利作用，可根據以下公式計算溫度鋼筋的配筋率ρs。

式中：σs為樓板溫度應力；fy為鋼筋的設計強度。

2 控制溫度裂縫的技術措施

（1）控制后澆帶的合龍溫度。降低后澆帶合龍時的溫度可有效減小剩余混凝土收縮當量溫差，從而有效避免在季節降溫情況下，混凝土出現開裂風險，有利于進一步提升混凝土整體結構的耐久性。

（2）增設多道后澆帶。通過計算可知，混凝土澆筑30d、90d后的剩余收縮當量溫差分別為31.3℃、17.6℃，由此可見延長混凝土后澆帶的封閉時間可有效控制后期混凝土開裂情況。該工程設計時嚴格要求后澆帶的封閉時間應在兩側混凝土澆筑60d后，且后澆帶寬度應控制在1m以上。

（3）在混凝土中添加膨脹劑及抗裂纖維等外加劑。該工程在設計要求底板、外墻、頂板的混凝土中添加膨脹劑及抗裂纖維，并限值混凝土的膨脹率不得小于0.02%，同時要求干縮率不得大于0.03%。此措施可有效控制混凝土早期開裂，同時可有效減小混凝土剩余收縮當量溫差。

（4）頂板設置通長抗裂鋼筋。該工程地下室頂板厚度為250mm，混凝土強度等級為C30，混凝土抗拉強度設計值ft為1.43N/mm2，鋼筋采用HRB400熱軋帶肋鋼筋，溫度作用分項系數為1.5，組合值系數為0.6，板配筋采用雙層雙向通長配筋，鋼筋之間的搭接滿足搭接長度，連接接頭的面積百分比控制小于50%，則設計時Y向溫度作用附加應力σy為2.61N/mm2，X向溫度作用附加應力σx為1.80N/mm2。根據施工圖進行配筋驗算，設計時Y向通長筋采用φ14@150（頂面底面雙層），總配筋率ρy=0.82%＞σy÷fy=2.61÷360≈0.73%；設計時X向通長筋采用φ12@150（頂面底面雙層），總配筋率 ρx=0.60% ＞ σx÷fy=1.80÷360=0.50%。

（5）設計時提高梁腰筋配筋率，以兩側腰筋總配筋率0.3%為控制條件，要求腰筋通長，并按照抗扭腰筋滿足相關搭接及錨固要求。

（6）延長養護時間，施工全過程加強混凝土表面保護。該工程施工交底時，強調澆筑混凝土以后的28d，采用標準養護，必要時采用保水養護，防止混凝土前期的塑性裂縫的產生?；炷翉姸冗_到100%時，盡早覆土保護，以減小環境溫度的變化對結構的影響。

3 結束語

文章以單層大底盤地下室為研究對象，采用有限元軟件建模分析，歸納出超長地下室結構在季節降溫的溫度作用下的數據資料及分布特征，為結構設計提供理論依據，同時結合工程特點提出多項技術措施，指導現場施工，有效控制裂縫，提高結構的耐久性。工程設計也需和施工單位緊密配合，后澆帶合龍溫度區間、后澆帶平面位置、外加劑的類型及超規范混凝土養護要求應與施工單位進行充分溝通，從而達到設計的預期目的，實現超長地庫結構的無縫設計。