某超長地下室柱開裂原因分析

王 偉,程 數,王 海

(1. 浙江省建設工程質量檢驗站有限公司,浙江 杭州 310012；2. 浙江省建科建筑設計院有限公司,浙江 杭州 310012)

1 工程概況

某綜合體項目地上由若干幢多層鋼筋混凝土結構房屋組成,地下為一層大底盤地下室,采用天然基礎及樁基礎,地下室結構平面布置見圖1,建筑平面呈多邊形,東西向長約270 m,南北向長約250 m,層高3.4～5.2 m,頂板標高為-1.850～-0.050 m,柱及梁、板混凝土強度等級均為C35,主樓范圍頂板厚160 mm,純地下室部分頂板厚300 mm,地下室結構未設置伸縮縫。地下室頂板澆筑混凝土時間開始于2015年6月,后澆帶混凝土封閉時間為2016年4月至5月,2017年2月發現1號樓高低跨交接處柱頂開裂,此時地下室頂板尚未覆土。

2 開裂情況查勘

經現場查勘,該地下室1號樓高低跨交接處框架柱頂普遍存在開裂現象,裂縫從高跨梁底標高處斜向開展至邊梁底標高處的柱邊,裂縫示意見圖2,現場情況見圖3。框架柱截面尺寸為700 mm×700 mm(柱截面配筋見圖4),高低跨縱向梁高均為800 mm,高低跨頂板板面高差為1 100 mm。

圖2 柱頂裂縫示意圖

圖3 柱頂裂縫 圖4 柱截面配筋圖

3 結構受力分析

3.1 常規荷載作用下承載力計算

通常情況下,結構承受的荷載包括結構自重、樓面及屋面活荷載、風荷載、積雪荷載、地震荷載等[1-2],地下室頂板結構尚應考慮施工荷載及車輛荷載。本文采用PKPM系列結構分析軟件對該地下室在常規荷載作用下的承載力進行復算,本項目位于非抗震區,結構計算時不考慮地震作用,計算中不考慮高低跨影響。計算參數見表1。

表1 計算參數一

計算表明,在常規荷載作用下,該地下室高低跨交接處框架柱的正截面及斜截面承載力均滿足規范要求。

3.2 超長結構溫度應力分析3.2.1 模型說明

溫度應力對于超長結構是一個不可回避的問題,本文采用Midas/Gen程序對地下室局部范圍進行分析,結構模型見圖5,模型考慮頂板變標高(高低跨)的影響。計算參數見表2,并假定結構處于線彈性狀態,該地下室后澆帶混凝土封閉時間為2016年4月至5月,2017年2月發現柱頂開裂,在此期間內地下室頂板未覆土處于暴露環境,參考當地氣象資料，溫度荷載取值-20℃。

圖5 計算模型

參數數值參數數值混凝土強度等級C35彈性模量Ec/(N/mm2)3.15×104線膨脹系數αc/℃1×10-5導熱系數λ/[kJ/(m·h·℃)]10.6比熱容c/[kJ/(kg·℃)]0.96溫度作用/℃-20

3.2.2 計算結果

在降溫荷載作用下,地下室頂板梁中產生明顯的軸向拉力,沿結構縱向自邊跨到中間跨,梁所承受的軸向拉力逐漸增大,邊跨框架梁軸向拉力為117.4～191.8 kN,中間跨框架梁軸向拉力為703.2～878.3 kN,地下室結構軸力分布見圖6。降溫荷載導致框架柱中產生剪力,沿結構縱向自邊跨到中間跨,框架柱承受的剪力逐漸減小,但高低跨交接處的框架柱下段中產生了較大的剪力,在高低跨交接處框架柱的上段則產生了顯著的剪力(1 894.5～2 741.9 kN),地下室結構剪力分布見圖7。

圖6 地下室結構軸力分布圖

圖7 地下室結構剪力分布圖

3.3 結構開裂原因分析

在實際工程中,設計師在結構計算時通常不考慮高低跨的錯層效應,而是將高低跨兩側梁板結構設置在同一標高,并采取構造加強措施以保證節點區域的正常工作。本文通過有限元計算發現：超長結構在溫度荷載作用下,沿房屋縱向的水平結構構件(梁、板)中將產生顯著的軸向應力,進而導致高低跨交接處框架柱的上段產生顯著的剪力,降溫過程產生的剪力方向與柱頂裂縫開展的方向一致,且與施工資料記錄的情況相吻合。本工程地下室高低跨交接處柱截面尺寸為700 mm×700 mm,箍筋采用HRB400級鋼筋,配筋為Φ6@200,采用多邊形復合箍,且未采取其他構造加強措施,從而導致該部位框架柱的上段產生剪切裂縫。

4 高低跨交接處構造措施探討

現有的分析計算程序,對高低跨平面可以按整體平面輸入,然后通過調整樓面標高的方法形成錯層平面布置,但計算結果可能出現異常。為避免上述情況的出現,可優先考慮通過采取恰當的構造措施,消除或減輕高低跨給結構帶來的不利影響：

1)可在框架柱上段設置梁側加腋(圖8)以改善水平向的傳力途徑；為改善水平結構構件(梁、板)的軸向應力問題,建議適當增強高低跨兩側的梁、板配筋。

2)在溫度荷載作用下,框架柱的上段將產生顯著的剪力,柱上段箍筋應加密,且建議采用井字形復合箍。

3)為降低超長結構的溫度應力,建議結構后澆帶封閉后應盡快完成地下室頂板面的覆土施工,避免結構長時間處于暴露環境。

圖8 設置梁側加腋

5 結 語

某超長地下室高低跨交接范圍集中出現了框架柱頂剪切裂縫,經計算復核,在常規荷載作用下,該地下室高低跨交接處框架柱的正截面及斜截面承載力均滿足規范要求。

考慮高低跨錯層效應的影響,通過Midas/Gen程序對比分析發現：超長混凝土結構在溫度荷載作用下,沿房屋縱向的水平結構構件(梁、板)中將產生顯著的軸向應力,高低跨交接處框架柱的上段則產生顯著的剪力。本工程地下室高低跨交接處框架柱箍筋配筋不足,且未采取有效的構造加強措施,是導致該部位框架柱的上段產生斜向開裂的主要原因。工程實踐中,可考慮通過采取恰當的構造措施,消除或減輕高低跨給結構帶來的不利影響。