地下室底板大體積混凝土分塊施工的有限元分析

嚴再春 李 兵 閆雁軍 李鑫奎

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海建工七建集團有限公司 上海 200050

上海董家渡項目地下室底板大體積混凝土采用施工縫分塊施工，其原理和跳倉法類似，可有效避免后澆帶施工帶來的諸多弊端[1-6]。本文通過有限元方法模擬該工程混凝土不同澆筑分塊區(qū)域設(shè)置后澆帶和采用施工縫分塊施工2種施工方案，對比分析梁板不同分塊混凝土結(jié)構(gòu)在底板澆筑后至主樓施工完成時的應(yīng)力變化情況，以期為該項目施工提供一定的工程理論指導(dǎo)。

1 工程概況

背景工程位于上海市黃浦區(qū)中心地帶，占地總面積為167 510 m2，總建筑面積約1 137 000 m2，董家渡路將項目分為南北2個地塊，本次計算選擇北（A）地塊作為研究對象（圖1）。A地塊上有2棟高層建筑，分別為14層（A1，標高74.2 m）和9層（A2，標高50.5 m），地下室3層（19 m），基礎(chǔ)底板核心區(qū)分別為1.5 m （A1）和1.3 m（A2），其余區(qū)域厚度1.0 m；后澆帶厚1 000 mm。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算目的

圖1 董家渡項目A地塊

為防止基礎(chǔ)混凝土底板后澆帶改施工縫分塊澆筑后，因結(jié)構(gòu)自重、收縮徐變而出現(xiàn)有害裂縫，對比分析施工縫分塊施工、設(shè)置后澆帶2種混凝土澆筑方法的區(qū)別，采用有限元方法分析對比2種澆筑方法在不同施工過程中對基礎(chǔ)底板變形及結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響程度。

2.2 計算假定

1）混凝土材料收縮函數(shù)、徐變函數(shù)、彈性模量、抗拉強度隨齡期變化規(guī)律按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》取用。

2）基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)按照設(shè)置后澆帶和施工縫分塊施工，按照分塊澆筑方案設(shè)置不同的施工工況。

3）不考慮混凝土水化熱溫升作用。

4）板梁結(jié)構(gòu)施工時，柱已達到強度設(shè)計值，不考慮柱收縮及徐變因素。

5）忽略樓梯以及樓板洞口影響。

6）忽略鋼筋對提高混凝土極限拉伸的影響。

2.3 材料屬性及混凝土配合比

根據(jù)計算假定，不考慮柱的收縮、徐變及其強度變化特性，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙，各構(gòu)件混凝土材料強度等級在C30～C60之間不等。其中基礎(chǔ)底板混凝土為C35P8，后澆帶施工提高一個等級混凝土，計算取C40微膨脹混凝土。采用歐洲規(guī)范CEB—FIP1990混凝土抗壓強度發(fā)展函數(shù)來模擬混凝土抗壓強度，混凝土收縮應(yīng)變曲線亦采用歐洲規(guī)范CEB—FIP1990規(guī)范的有關(guān)規(guī)定（圖2）。

圖2 混凝土特性曲線

圖3 設(shè)置后澆帶施工工況劃分

2.4 計算模型、單元屬性、荷載邊界

利用Midas Gen軟件對其結(jié)構(gòu)（梁、板、柱、基礎(chǔ)底板）進行建模，有限元計算模型共計10 672個節(jié)點，20 739個單元，其中梁單元10 250個，板單元6 249個，實體單元4 240個。梁、柱采用梁單元模擬，樓板、剪力墻采用板單元模擬，基礎(chǔ)底板采用實體單元模擬。

考慮結(jié)構(gòu)自重、基礎(chǔ)底板混凝土收縮、徐變的影響，不考慮混凝土水化熱溫升作用。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)周圍約束x、y，允許豎向z變形，通過設(shè)置土彈簧單元來模擬結(jié)構(gòu)變形。

2.5 施工階段劃分與計算工況設(shè)置

根據(jù)施工方案，無論是設(shè)置后澆帶方案還是施工縫分塊方案，均將整個施工階段劃分為第1塊基礎(chǔ)底板澆筑，第2塊基礎(chǔ)底板澆筑，第3塊基礎(chǔ)底板澆筑，第4塊基礎(chǔ)底板澆筑，地下室B0～B3施工完成，后澆帶封閉施工完成，A1、A2主樓施工完成共7個階段（施工縫分塊方案則無施工階段6，詳見圖3）。

2.6 計算結(jié)果與分析

本文在同時考慮基礎(chǔ)底板混凝土的收縮徐變作用、結(jié)構(gòu)自重的因素下對結(jié)構(gòu)整個施工過程進行計算分析。由于有限元邊界約束較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)邊緣處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力值可能會出現(xiàn)較大的數(shù)值，此數(shù)據(jù)不作為整體結(jié)構(gòu)安全評判依據(jù)，即數(shù)據(jù)分析時不考慮邊界處畸形應(yīng)力值，綜合考慮邊界內(nèi)部的基礎(chǔ)底板應(yīng)力變化，來評判整體結(jié)構(gòu)受力情況。

2.6.1 設(shè)置后澆帶施工工況計算分析

在設(shè)置后澆帶澆筑基礎(chǔ)底板混凝土時，通過有限元對不同施工工況下的基礎(chǔ)底板、后澆帶等結(jié)構(gòu)進行變形及應(yīng)力分析（圖4、圖5）。

圖4 設(shè)置后澆帶澆筑方案不同施工階段底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖5 A1、A2施工完成時后澆帶應(yīng)力、變形示意

由圖4、圖5可知，在基礎(chǔ)底板設(shè)置后澆帶混凝土澆筑方案時，通過有限元方法對沉降變形及應(yīng)力進行分析。在施工工況6，除外圍約束邊界外的內(nèi)側(cè)基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力值為2.51 MPa；后澆帶封閉及地下室未施工、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)底板全澆筑完15 d時底板結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力值為1.39 MPa；待A1、A2主樓全部梁板柱結(jié)構(gòu)施工封頂完成時，基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為3.18 MPa，此時后澆帶最大拉應(yīng)力值為1.76 MPa，后澆帶結(jié)構(gòu)兩側(cè)z向變形最大值為18 mm，兩側(cè)變形差值最大為2.54 mm，基本可認為是同步沉降變形。

2.6.2 采用施工縫分塊施工工況計算分析

在施工縫分塊施工（不設(shè)置后澆帶）澆筑基礎(chǔ)底板混凝土時，對各施工工況下的基礎(chǔ)底板進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析（圖6）。

圖6 采用施工縫澆筑方案不同施工階段底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由圖6可知，在施工縫分塊施工（不設(shè)置后澆帶）澆筑基礎(chǔ)底板混凝土時，通過有限元方法進行應(yīng)力分析。在施工工況5，除外圍約束邊界外的內(nèi)側(cè)基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力值為2.19 MPa；待A1、A2主樓全部梁板柱結(jié)構(gòu)施工封頂完成時，基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為3.49 MPa。

2.6.3 2種澆筑方案混凝土受力對比

通過有限元方法對設(shè)置后澆帶和采用施工縫分塊施工2種混凝土澆筑方案進行仿真模擬，分析其對基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力、沉降變形的差異對比，各施工工況下基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)對應(yīng)的應(yīng)力值，如表1所示。

表1 2種澆筑方案下各施工階段基礎(chǔ)底板應(yīng)力最大值（MPa）

由表1可知，通過有限元理論計算分析，在同時考慮結(jié)構(gòu)自重、混凝土收縮徐變影響下，設(shè)置沉降后澆帶對基礎(chǔ)底板產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大值要比分塊施工的拉應(yīng)力最大值小些，兩者最值相差在10%左右。由于是理論計算分析，在忽略一些諸如混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋對抵抗裂縫有助影響的前提下，計算出的基礎(chǔ)底板拉應(yīng)力最大值偏大。因此，通過計算數(shù)據(jù)定性對比分析，設(shè)置后澆帶和施工縫分塊施工2種澆筑方案在基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化幅度趨勢，能說明本工程如果不設(shè)置后澆帶而改用施工縫分塊施工澆筑基礎(chǔ)底板是可行的。

3 結(jié)語

本文以上海董家渡項目北地塊地下室底板大體積混凝土結(jié)構(gòu)為背景，通過有限元方法仿真模擬混凝土在設(shè)置后澆帶和采用施工縫分塊2種澆筑施工方案，對比分析了地下室梁板結(jié)構(gòu)在主樓施工完成時的應(yīng)力變化情況，為結(jié)構(gòu)施工提供了理論支撐。

計算表明，采用施工縫分塊施工和設(shè)置后澆帶施工2種方案，其基礎(chǔ)底板產(chǎn)生的拉應(yīng)力最值相差10%左右，說明施工縫分塊施工澆筑基礎(chǔ)底板完全可行。