某高層地下室結構無縫設計

李 波 李延剛

當前建筑設計的發展對建筑結構設計提出越來越高的要求,設置變形縫要求縫兩側的結構完全獨立,不僅給使用造成諸多不便,也加大了地下室防水的難度,因此大部分高層建筑地下室均不設置變形縫,而是通過其他途徑解決地下室超長以及主樓、裙樓間不均勻沉降的問題,一般稱之為“無縫設計”。本文整理了無縫設計的幾種基本方法,并分析了其優缺點,結合本工程地下室結構設計過程,提出多種方法聯合作用實現不設變形縫的思路。

1 無縫設計的基本方法

1.1 伸縮縫

設置伸縮縫主要是為了釋放溫差和混凝土收縮、徐變產生的應力,防止結構開裂滲水。常用的替代伸縮縫的無縫設計基本方法包括后澆帶、加強帶、誘導縫、摻加外加劑和預應力技術等。

后澆帶是代替伸縮縫最常用的方法,技術相對成熟。后澆帶只能解決混凝土的早期應力問題,對于后澆帶澆筑后混凝土徐變和溫度應力則不能發揮作用,而且從后澆帶留設到其混凝土澆筑,通常需要幾個月時間,這造成施工時的許多不便。且在澆筑封閉之前,后澆帶內很容易落入雜物或在澆筑后澆帶兩側板時流入混凝土漿液。

誘導縫用于替代伸縮縫,可以有效釋放整個施工和使用期間產生的混凝土拉應力,且混凝土一次性同時澆筑,不間斷施工。缺點在于誘導縫設置間距較小,布置靈活度較差。

摻加外加劑也是使用較多的方法,通常是在混凝土中添加一定比例的膨脹劑,在混凝土中建立“化學預壓應力”,使用起來相對簡單,對施工其他過程影響小,常與其他方法聯合使用。

施加預應力減少伸縮縫的設置,有針對性地設置預應力鋼筋,通過施加預應力來抵消混凝土收縮產生拉應力,從而達到減少伸縮縫和控制開裂的目的。隨著預應力張拉和錨固技術的發展,預應力施工難度大大下降,且易于人為控制整個地下室混凝土的應力分布狀態,因此在近年來不斷得到應用推廣。其最大缺點在于施加預應力必然在一定程度上提高工程造價。

1.2 沉降縫

高層建筑中主樓部分與裙樓部分層數相差懸殊,荷載與剛度相差很大,基礎沉降量不同。設置沉降縫主要是為了減小主樓與裙樓基礎的相互影響,釋放沉降差異造成的次應力,避免地下室及裙房結構出現裂縫甚至破壞。要取消高層建筑主樓與裙房地下室之間的沉降縫,常用“抗”“調”“導”三類方法。

1)當基礎沉降量不大時,可通過加強上部結構,抵抗不均勻沉降引起的結構內力,保證結構的安全性,即“抗”的方法。2)當具備一定的條件時采用樁基礎,利用樁長、樁徑及樁型的不同,將沉降差調節到結構允許的范圍內,即“調”的方法。3)用后澆帶將兩者基礎分開,等基礎完成部分沉降后再進行澆筑,同時合理調整主樓與裙樓、地下室交接節點為鉸接節點,減小沉降差引起的結構內力,即“導”的方法。

2 工程實例

本工程地上22層,總高122.0 m,主體高96.0 m,地下 1層,層高4.6 m,裙房1層,為鋼結構大堂,高12.7 m。主樓四周為單層停車場及設備用房,整個建筑平面為長方形,長邊長度達到99 m,短邊長50 m,主樓平面呈橢圓形,位于整個建筑平面中央偏西。

本工程地下室兩個方向尺寸均超過GB 50010-2002混凝土結構設計規范中伸縮縫的間距要求,并且主樓與裙房及地下室層數相差非常懸殊,在不設置變形縫的情況下,需要采取措施消除兩部分沉降差帶來的不利影響。結構設計中,首先對應需要解決的問題分別采用Midas有限元分析軟件的GEN和SDS兩個模塊對地下室進行分析,見圖1,圖2。從GEN的分析結果可以看出,在樁基礎約束下,底板和側壁在溫度變化時產生了較大的溫度應力,在樁基礎約束作用較大的情況下,底板兩方向應力較均勻,與結構總長度關系不大;而地下室頂板由于建筑要求存在多處不連續,溫度應力分布不均勻,但應力值并不大;從SDS的分析結果可以看出,在結構自重作用下,主樓下方基礎的下沉量顯著大于單層地下停車場下基礎,設置后澆帶后主樓基礎下沉量較周邊部分的基礎大8 mm～12 mm。

根據以上分析結果,實際設計中采用了無縫設計基本方法中的多種方法共同作用來解決溫度應力和不均勻沉降帶來的問題。

1)設置后澆帶。本工程地下室頂板、底板相同位置設置了四道后澆帶,寬1 m,將主樓與裙房、地下室完全分開,并要求后澆帶在主樓封頂后澆筑封閉。設計時根據主體結構自重下(不含墻體等圍護結構)沉降差計算值,預設主樓與地下室沉降差10 mm,實際后澆帶封閉澆筑時主樓與地下室沉降差約為8 mm,與計算分析結果相符。

除了調整主樓與裙樓、地下室之間的沉降差,這四道后澆帶還釋放了底板混凝土收縮和溫度變形所帶來的應力。設置了這四道后澆帶也為主樓與地下室使用不同強度等級的混凝土提供了可能,實際設計中,主樓部分地下室底板與承臺采用C45混凝土,地下室其他部分為C35混凝土,這不僅與主樓部分大柱距(10 m)、地下室其他部分小柱距(6 m)的結構布置形式相適應,同時降低了主樓底部墻柱與地下室底板混凝土強度等級差別,解決了主樓底部墻柱樁承臺連接時可能出現的局部承壓問題,使施工更加方便。

側壁上,與頂板、底板后澆帶連通的位置設置四道后澆帶,采用與底板相同的后澆帶形式。此形式的后澆帶可以配合設置施加預應力,作為預應力鋼筋的錨固端或張拉端。考慮到地下室長度不到100 m,不需要設置預應力也可以較好地控制裂縫,本工程未采用預應力方案。

2)適當加強通長配筋。底板、頂板及側壁鋼筋均按通長布置,樓板中通過板后澆帶的鋼筋,做成雙層鋼筋并應斷開搭接,搭接長度 Ld≥45d,澆灌板帶混凝土前將分離筋加焊。主筋較密時,則鋼筋不斷開,但后澆帶位置用附加短筋方式對板配筋進行適當加強。

3)摻加外加劑。地下室底板、頂板、側壁采用微膨脹混凝土,其中后澆帶內摻HEA型材料12%,后澆帶外摻HEA型材料8%,摻量按膠凝材料總重量比計。

4)限制沉降總量。本工程地質條件較好,經驗算主樓位置總沉降量小于30 mm,故未另外采取措施。

5)主樓與裙樓、地下室頂板交接節點的調整。視情況對主樓與裙樓、地下室頂板交接處結構節點進行調整。

裙樓樓板和地下室頂板除后澆帶處加強配筋外,主樓邊緣支座處也對配筋進行加強,即采用“抗”的方式。鋼結構大堂與主樓交接的節點采用鉸接節點,并在設計時考慮沉降差的影響,采用“導”的方式。

3 存在的問題

目前江門電視中心工程已經封頂,后澆帶施工完畢,經過多次大雨后地下室頂板、底板、側壁等各處均未出現裂縫滲水情況,業主使用方反映良好,但施工當中仍發現一些問題,如后澆帶位置鋼筋較密,澆筑混凝土時留縫所用的泡沫填料難以取出,以后的設計中應該設法解決。

4 結語

通過以本工程的無縫設計為例,說明通過做好各方面的計算分析,采取幾種措施聯合作用,高層建筑的超長地下室可以在不設置伸縮縫和沉降縫的情況下保證結構的安全可靠和正常使用。

[1] GB 50108-2001,地下工程防水技術規范[S].

[2] 王鐵夢.工程裂縫控制[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.

[3] JGJ 3-2002,J 186-2002,高層建筑混凝土結構技術規程[S].