高層建筑地下室的優化設計

張俊東

【摘要】本文結合實際工程,介紹了超長地下室結構設計,探討了由于結構超長引起的大面積混凝土結構裂縫的防治措施,實踐證明,該工程施工工程質量良好,取得了良好的社會和經濟效益。

【關鍵詞】高層建筑 地下室 優化設計

一、工程概況

上海濱江凱旋門,總建筑面積20610m²,為大底盤、多塔結構,其中地下室建筑面積36340m²,結構最大長約378m,最大寬約154m,中間設置一道伸縮縫。地下室分為二個區:Ⅰ區結構最大長約208m,最大寬約154m,Ⅱ區結構最大長約170m,最大寬約80m。地下室局部為6級防空地下室。人防區底板厚0.8m,側墻厚0.5m,頂板厚0.25m;非人防區底板厚0.6m,側墻厚0.4m,頂板厚0.2m。主樓筏板厚度分別為1.5m、2.0m。地下室混凝土設計強度等級為C35,混凝土抗滲等級為S8。按照設計規范,本工程地下室結構屬于超長大面積混凝土結構工程,所以針對本工程實際情況,采取了多種技術措施來防止由于結構超長引起的裂縫。

二、超長混凝土結構無縫設計要點

結構溫度、收縮應力是由于結構變形受約束而產生的。在理論上只要材料的強度不小于最大約束應力,則任意長度結構不設伸縮縫亦不會開裂。由于混凝土材料的抗拉強度很低,韌性差,以及在結硬過程中產生收縮,理論和實踐均證明,若不采取措施,難以滿足混凝土規范對結構裂縫的要求。因此,為防止出現上述情況,該超長地下室結構設計采取以下措施防止由于結構超長引起的裂縫。

1.設置后澆帶

(1)間距。結合建筑物長度、氣候環境特點綜合考慮,后澆帶間距一般控制在30～40m左右,因建筑原因無法設置后澆帶時,增設膨脹加強帶。

(2)位置。小跨梁開間或受力較小的部位,一般設置在梁跨1/3處。平面布置時梁的布置平行于后澆帶,以免梁截斷太多。視具體情況可沿平面曲折通過。

(3)寬度。綜合考慮,本工程后澆帶寬度取為800mm。

(4)鋼筋。后澆帶部位的構件鋼筋不截斷,且增設不少于原配鋼筋20%的附加鋼筋, 深入后澆帶兩側各1000mm,這樣可避免梁鋼筋全部截斷后造成的鋼筋搭、焊接困難。

(5)澆筑時間。為最大限度減少混凝土施工過程的溫度及收縮應力,后澆帶的保留時間應不少于六個月,且澆筑時的溫度宜低于主體混凝土澆筑時的溫度。

(6)混凝土。采用C40的微膨脹混凝土澆筑(應保證水中養護14天的混凝土限制膨脹率大于等于0.035%)。

(7)斷面形式。一般避免留直縫,對于板可留斜縫;對于梁及基礎,可留企口縫。

(8)地下室有防水要求,在新老混凝土之間設置鋼板止水帶,以防止滲漏。

2.設置膨脹加強帶

本工程地下室體型復雜,上部結構在地下室內柱網排列也不均勻,所以部分區域后澆帶間距無法保證,為此,在這些區域增設膨脹加強帶并結合跳倉法施工。膨脹加強帶混凝土采用C40的微膨脹混凝土澆筑(應保證水中養護14天的混凝土限制膨脹率大于等于0.035%),在其兩側架設密孔鐵絲網,以防止兩側混凝土流入膨脹加強帶,膨脹加強帶鋼筋增加作法同后澆帶。

3.采用低水化熱的水泥配置混凝土并適量加入粉煤灰

混凝土內外部溫差過大會產生裂縫,主要是由水泥水化熱引起的。地下室超長大體積混凝土基礎中,混凝土強度級別較高,水泥用量大,因此混凝土在初凝過程中會有大量水化熱產生。混凝土是熱的不良導體,又由于地下室底板及筏板幾何尺寸巨大,這些熱量不易及時排出而積聚,導致了其內部溫度迅速升高(最高時可達70～80℃);相反,在構件表面,則由于散熱條件良好,溫度保持較低水平。這樣就出現了內外溫差,這種相對的“內脹外縮”使混凝土表面產生拉應力,當它超過混凝土拉伸極限時,裂縫就產生了。

粉煤灰水泥系在硅酸鹽水泥中摻入占水泥重量20%～40%的粉煤灰組合而成。其有如下特性:早期強度較低,后期強度增長較快;水化熱較小;耐凍性差;耐硫酸鹽腐蝕及耐水性較好;抗炭化能力差;抗滲性較好;干縮性較小;抗裂性較好。

選擇粉煤灰水泥在技術上有兩點好處:一是減少內部水化熱的產生(因為減少了水泥用量);二是減少混凝土的“干縮”量,這樣從整體上對裂縫的產生和擴展起到了預防和抑制作用。

4.加大碎石骨料用量

碎石骨料表面粗糙與水泥的膠結良好,同樣配比的混凝土其強度較卵石混凝土高,并可降低水化熱,收縮變形小,從而裂縫也小。在滿足施工泵送要求的情況下,加大碎石骨料用量,降低水泥用量,減小混凝土的水化熱,能更好地保證混凝土的質量。

5.降低水灰比

確定設計配合比階段,采取降低水灰比的措施。采取該措施的目的在于減少用水量,降低混凝土的收縮。同時建議施工單位在混凝土澆筑階段,采用二次振搗的工藝,即在混凝土初凝前進行二次振搗,避免混凝土因沉降收縮而引起的裂縫。

6.摻加膨脹劑

從廣義來看,摻加膨脹劑的混凝土是一種補償收縮的混凝土,這就要求對混凝土結構的早期收縮裂縫要進行控制,其思路為“以抗為主”的原則,利用補償收縮混凝土在硬化過程產生的膨脹作用,在結構中產生少量預壓應力用來補償混凝土在硬化過程中產生的溫度和收縮拉應力,從而防止收縮裂縫或把裂縫控制在無害裂縫范圍內。

本工程地下室所有混凝土均添加UEA-H 高抗裂膨脹劑,并要求保證水中養護14天的混凝土限制膨脹率大于等于0.025%。膨脹劑通過水化反應,使混凝土產生適量膨脹,在鋼筋和鄰位的限制下,在混凝土中建立0.3～0.5MPa的預壓應力,可大致抵消混凝土干縮及溫度收縮時產生的拉應力,防止混凝土開裂。同時膨脹劑水化時生成的膨脹結晶使混凝土的抗滲能力大大提高,從而實現混凝土結構抗裂與抗滲的目的,提高了結構的整體抗裂性能和抗滲標號。

7.設水平暗梁

由于墻體受施工和環境溫度、濕度等因素影響較大,容易出現豎向收縮裂縫,混凝土強度等級越高,開裂幾率越大。本工程設計時在計算滿足的前提下適當提高了墻體的水平鋼筋配筋率,水平鋼筋的間距小于等于150mm,即采取細而密的配筋原則。由于墻體受底板或頂板的約束較大,混凝土脹縮不一致,所以設計圖紙中在墻體中部及端部各設一道水平暗梁,用來控制墻體有害裂縫的出現。

8.增設構造鋼筋

由于墻與柱的配筋率相差較大,混凝土脹縮變形與限制條件有關,又由于應力集中原因,在離柱子1～2m的墻體上易出現豎向收縮裂縫。設計要求在墻柱連接處設水平附加筋,附加筋的長度為2000mm,插入柱子中200mm,插入墻體中1800mm,該處配筋率相應提高10%～15%。這樣,有利于分散墻柱間的應力集中,避免豎向裂縫的出現。

9.加強混凝土養護

摻UEA-H混凝土的養護是保證工程質量的最重要的措施之一,要派專人負責養護工作,混凝土終凝后2小時即開始養護,養護期不少于14天。

(1)地下室混凝土采取蓄水養護;樓板混凝土板表面必須覆蓋二層草袋,并以每天澆水2～3次方式養護,或采取蓄水10cm深的方式養護。養護期內應保持混凝土內外溫差不大于25℃。

(2)墻體養護一般可以延長模板的拆除時間3～5天,然后再派專人澆水養護。

三、結語

超長大面積混凝土必須嚴格按有關技術規范要求組織施工,分區澆灌為好。本工程施工時,本地的商品混凝土攪拌站還無法做限制膨脹率試驗(該試驗是在上海完成),所以應對與施工過程中監理如何控制混凝土限制膨脹率指標予以相當重視。

在實際設計、施工過程中,應把超長地下室混凝土的裂縫控制看作一個系統工程。不應該片面強調材料等單一因素的作用,而應把合理的材料選擇與嚴密的設計方案、科學的混凝土配合比、嚴格施工組織和完善的工藝措施相結合,才能確保混凝土的施工質量,達到混凝土結構抗裂防水的目的。

參考文獻:

[1]GB50007-2002,建筑地基基礎設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[2]JGJ3-002,高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[3]GB50011-001,建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2001.