某大型住宅超長地下室結構溫度應力分析

何明哲

（中國中元國際工程公司，北京 100089）

1 引言

隨著建筑行業日新月異的發展，大型住宅項目超長地下室大量涌現。在結構設計中，如何進行溫差取值，如何選取溫度工況進行溫度應力分析并采取措施，已成為此類項目結構設計中的關鍵問題。本文結合實際項目案例，對地下室進行溫度應力分析，并從設計和施工方面給出較為全面的措施和建議。

2 項目概況

本工程地下建筑面積85 800m2，主要功能為車庫、設備用房和戰時人防。地下室分為南、北兩片區域，南區地下室呈魚骨形布置，北區地下室呈L形布置，南、北區地下室連為一體，東西向最大長度約為340m，南北向最大長度約為450m。局部如圖1所示。

圖1 總平面示意圖

地下室外墻厚250～350mm，頂板厚250～400mm。墻、柱混凝土強度等級為C30，梁、板混凝土強度等級為C35。采用獨立基礎加防水板的基礎形式，高層塔樓部分采用筏板基礎，CFG樁地基處理。設計基準期：50a，設計使用年限：50a；結構安全等級：二級；結構重要性系數：1.0；最高月平均溫度33℃，最低月平均氣溫-24℃。

3 溫度應力分析

3.1 設計計算溫差的確定

對于超長結構混凝土開裂而言，間接作用的影響主要體現在環境溫度的降低和混凝土的收縮變形，對于后者，工程界經常將混凝土的收縮變形等效為當量溫差。因此，混凝土收縮變形有兩方面，即當量溫差和環境降溫溫差。

按照施工和設計工況，溫差計算時，分為3種工況，即后澆帶封閉前的施工階段、后澆帶封閉至使用前的施工階段以及結構使用階段。

通過合理設置后澆帶，將地下室頂板每個結構區段長度控制在30m以內，后澆帶封閉前混凝土收縮變形以及溫度作用對結構影響很小；而在結構使用階段，考慮夏季空調，冬季采暖因素，地下室部分的溫差不會超過施工期間，因此，對使用期間不做分析。綜上，最不利的工況為后澆帶封閉至使用前的施工階段，以下對此工況做進一步分析。

對于本項目，要求后澆帶封閉后盡快完成地下室側墻回填、頂板保溫及洞口封閉，最低月平均氣溫可取-5℃[1]。設后澆帶合龍時溫度為5～10℃，則環境溫度的最不利降溫溫差為-15℃。最高月平均氣溫按25℃考慮，則環境溫度的最不利升溫溫差為20℃。

混凝土收縮變形εs可通過公式ΔTs=εs/α換算成當量降溫溫差ΔTs，其中α為混凝土的線膨脹系數取1.0×10-5。收縮變形εs(t)=ε0(1-e-0.01t)M1M2…M11，式中，M1M2…M11對于后澆帶封閉至使用前的施工階段可取1.0；ε0為初始收縮變形對于C40以下混凝土取3.24×10-4；式中，t為齡期，d[2]。

從開始施工到后澆帶封閉，歷時6個月，混凝土收縮變形為εs(0)-εs(90)=3.24×10-4-3.24×(1-e-0.01×180)×10-4=0.54×10-4，換算成當量溫差為-5.4℃。采用補償收縮混凝土，要求限制膨脹率為2.0 ×10-4，取實際膨脹率1.0 ×10-4，大于混凝土收縮變形，采用補償收縮混凝土可補償混凝土收縮[3]，因此，本項目計算時，收縮變形的當量溫差不予考慮。

由于混凝土徐變效應以及剛度折減效應，計算溫差還應折減，其中徐變系數取0.3，剛度折減系數取0.85，因此，最終采用的設計降溫溫差為-15×0.3×0.85=-3.825℃，升溫溫差為20×0.3×0.85=5.1℃。

3.2 計算模型

計算采用北京邁達斯技術有限公司出品的Midas Gen有限元分析軟件，建模時，樓板和墻體均采用考慮面內、面外剛度的板單元模型，梁柱采用梁單元模型，模型中僅考慮地下室。假定結構嵌固于基礎底板頂面，即不考慮基礎及地基彈性約束對結構的有利影響。

基礎偏于安全地采用固定約束，不考慮地基與基礎的彈性約束作用。計算時材料參數如表1所示，圖2、圖3為計算模型示意圖，圖3給出A～G區的樓板分區示意。

表1 材料參數表

圖2 計算模型軸測圖

3.3 主要計算結果

3.3.1 樓板計算結果

對于樓板，升溫工況以受壓為主，降溫工況以受拉為主，因此，關注降溫工況下的樓板應力分布，以采取針對措施防止樓板開裂。根據降溫工況內力分析結果，可以得到以下規律：

圖3 計算模型俯視圖

1）長度較長的樓板在該方向上內力較大，如Y向長度較大的D區和F區，Y向內力明顯大于其他區域；

2）在局部洞口、標高變化、拐角等區域存在內力突變值，是薄弱區域需要采取措施；

3）排除內力突變值，樓板的較大內力值分布在300～650kN/m。

A～E區樓板內力結果（未考慮局部應力集中）匯總于表 2。

表2 樓板分區內力表kN/m

3.3.2 墻體計算結果

對于墻體，無論升溫或降溫工況，端部墻體在樓板的外推或內拉作用下都會產生較大剪力，由于升溫溫差大于降溫溫差，因此升溫工況對應剪力值更不利。計算分析表明，樓板端部墻體剪力值較大約200～400kN/m，在短墻和墻體拐角處，最大可達600kN/m，中部剪力值較小。

4 技術措施

4.1 設計措施

1）配筋措施：樓板應力σ＝F／h（F為單位寬度樓板拉力，h為板厚）。忽略混凝土的抗拉強度，所有拉力由鋼筋承擔，則單位寬度所需鋼筋面積為As=1.4×0.6×F/360=1.4×0.6×σh/360（1.4和0.6分別為溫度作用的分項系數和組合系數）。

2）后澆帶設置：合理設置后澆帶，后澆帶間距30m，寬度0.8m。后澆帶內鋼筋不得直通，在后澆帶內錯開搭接，后澆帶澆筑前在搭接位置中部搭接鋼筋單面焊10d（d為鋼筋直徑單位）。在環境溫度相對較低時封閉后澆帶，要求合龍溫度在10℃以下，后澆帶采用比兩側混凝土提高一級的補償收縮微膨脹混凝土澆筑密實并加強養護。后澆帶養護時間不少于28d，且應一次澆搗完成。

3）采用補償收縮混凝土：地下室梁板結構以及墻體采用補償收縮混凝土技術，限制膨脹率0.020%，具體工藝應滿足JGJ/T 178—2009《補償收縮混凝土應用技術規程》的相關要求。

4）混凝土中摻入以聚丙烯為原料的短纖維（摻入量可為0.9kg/m3），改善混凝土的塑性收縮、抗裂性，提高抗沖擊力及抗震性能。

5）地下室頂板配筋均為雙層雙向通長配筋，控制鋼筋間距不大于150mm；根據計算分析，適當提高通長鋼筋的配筋率。

6）對于超長方向梁適當增加通長縱筋，梁腰筋單側配筋率大于或等于0.1%，間距不大于200mm，并滿足抗拉筋構造要求。

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7）地下室外墻水平分布鋼筋除滿足受力要求外，最小配筋率宜為0.4%～0.6%，間距不宜大于150mm，且水平筋放置在豎向筋外側。

8）當外墻設有扶壁柱時或外墻轉角處，宜在扶壁柱處或轉角處沿豎向原有水平分布鋼筋間距之間增加直徑12mm、長度為柱每邊伸出800mm的附加鋼筋。

9）對分析中發現的薄弱部位，采用增加板厚及配筋的方式進行加強。

4.2 施工措施

合理的施工措施，是保證設計合理性的關鍵。對于超長地下室的施工，在混凝土材料選擇和配比及混凝土的澆筑、養護、施工方式等方面，均應做到以下幾點：

1）水泥應采用粉煤灰水泥。粗骨料不得采用砂巖，除應符合現行行業標準JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》的有關規定外，宜選用粒徑5～31.5mm，并應連續級配，含泥量不應大于1%；細骨料的選擇，宜選用中砂，其細度模數宜大于2.3，含泥量不應大于3%。

2）在滿足施工要求的前提下，盡量減小混凝土坍塌落度，減小水泥漿量和水灰比。

4）混凝土澆筑宜在初凝前二次振搗，新澆混凝土表面宜在混凝土初凝后終凝前二次抹壓。

5）混凝土澆筑時應采取措施排除沁水。

6）超長結構采用跳倉法施工時，宜布置垂直于跳倉施工縫長度方向的構造。

7）鋼筋均勻布置在上下層（或內外層）鋼筋上，直徑宜取12mm，間距不大于150mm，兩端各伸出跳倉施工縫不小于500mm，并固定于上下層（或內外層）鋼筋上。

8）施工過程必須注意保濕保溫的養護措施。環境濕度越大，養護時間越長，收縮越小。混凝土養護時，采取花管淋水、薄膜或草簾覆蓋，并灑水保持濕潤，拆模后使混凝土周圍環境的相對濕度達到80%；不得在雨中澆灌混凝土，注意現場防風及太陽直射。

9）混凝土拆模時間應根據工程具體情況確定，拆模強度應滿足施工規范的要求。應盡量延長養護時間，不低于2個月。

10）后澆帶封閉后應及時回填覆土。

5 結語

根據本文計算分析結果，在大型住宅項目超長地下室結構設計中，提供建議如下：

1）需根據自然環境和項目周期，對施工階段和使用階段溫度工況進行綜合判斷，選擇合理的溫差和溫度工況進行分析，計算溫差可考慮開裂剛度折減和混凝土徐變的有利影響，折減系數為0.3×0.85=0.255；

2）混凝土收縮變形的不利影響可通過采用補償收縮混凝土抵消；

3）采用后澆帶，將結構劃分為若干小于30m的區段，施工階段溫度應力可忽略；后澆帶封閉后，盡快完成地下室側墻回填、頂板保溫及洞口封閉；

4）對于樓板、墻體溫度應力較大處，如長向樓板的長方向，平面端部的墻體，應力集中處（局部洞口、拐角處），相關梁、板、墻體配筋需加強；

5）施工措施是設計合理性得以保證的基礎，應從混凝土材料的選用、混凝土的養護、拆模及施工方式上采取合理措施以確保設計的合理性。