高層建筑地下室的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張俊東

【摘要】本文結(jié)合實(shí)際工程,介紹了超長地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),探討了由于結(jié)構(gòu)超長引起的大面積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的防治措施,實(shí)踐證明,該工程施工工程質(zhì)量良好,取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】高層建筑 地下室 優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu),其中地下室建筑面積36340m²,結(jié)構(gòu)最大長約378m,最大寬約154m,中間設(shè)置一道伸縮縫。地下室分為二個(gè)區(qū):Ⅰ區(qū)結(jié)構(gòu)最大長約208m,最大寬約154m,Ⅱ區(qū)結(jié)構(gòu)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(qū)底板厚0.8m,側(cè)墻厚0.5m,頂板厚0.25m;非人防區(qū)底板厚0.6m,側(cè)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(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C35,混凝土抗?jié)B等級為S8。按照設(shè)計(jì)規(guī)范,本工程地下室結(jié)構(gòu)屬于超長大面積混凝土結(jié)構(gòu)工程,所以針對本工程實(shí)際情況,采取了多種技術(shù)措施來防止由于結(jié)構(gòu)超長引起的裂縫。

二、超長混凝土結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)要點(diǎn)

結(jié)構(gòu)溫度、收縮應(yīng)力是由于結(jié)構(gòu)變形受約束而產(chǎn)生的。在理論上只要材料的強(qiáng)度不小于最大約束應(yīng)力,則任意長度結(jié)構(gòu)不設(shè)伸縮縫亦不會開裂。由于混凝土材料的抗拉強(qiáng)度很低,韌性差,以及在結(jié)硬過程中產(chǎn)生收縮,理論和實(shí)踐均證明,若不采取措施,難以滿足混凝土規(guī)范對結(jié)構(gòu)裂縫的要求。因此,為防止出現(xiàn)上述情況,該超長地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取以下措施防止由于結(jié)構(gòu)超長引起的裂縫。

1.設(shè)置后澆帶

(1)間距。結(jié)合建筑物長度、氣候環(huán)境特點(diǎn)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(shè)置后澆帶時(shí),增設(shè)膨脹加強(qiáng)帶。

(2)位置。小跨梁開間或受力較小的部位,一般設(shè)置在梁跨1/3處。平面布置時(shí)梁的布置平行于后澆帶,以免梁截?cái)嗵?。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(gòu)件鋼筋不截?cái)?且增設(shè)不少于原配鋼筋20%的附加鋼筋, 深入后澆帶兩側(cè)各1000mm,這樣可避免梁鋼筋全部截?cái)嗪笤斐傻匿摻畲?、焊接困難。

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

(6)混凝土。采用C40的微膨脹混凝土澆筑(應(yīng)保證水中養(yǎng)護(hù)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(chǔ),可留企口縫。

(8)地下室有防水要求,在新老混凝土之間設(shè)置鋼板止水帶,以防止?jié)B漏。

2.設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶

本工程地下室體型復(fù)雜,上部結(jié)構(gòu)在地下室內(nèi)柱網(wǎng)排列也不均勻,所以部分區(qū)域后澆帶間距無法保證,為此,在這些區(qū)域增設(shè)膨脹加強(qiáng)帶并結(jié)合跳倉法施工。膨脹加強(qiáng)帶混凝土采用C40的微膨脹混凝土澆筑(應(yīng)保證水中養(yǎng)護(hù)14天的混凝土限制膨脹率大于等于0.035%),在其兩側(cè)架設(shè)密孔鐵絲網(wǎng),以防止兩側(cè)混凝土流入膨脹加強(qiáng)帶,膨脹加強(qiáng)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(nèi)外部溫差過大會產(chǎn)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(chǔ)中,混凝土強(qiáng)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(chǎn)生?；炷潦菬岬牟涣紝?dǎo)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(shí)排出而積聚,導(dǎo)致了其內(nèi)部溫度迅速升高(最高時(shí)可達(dá)70～80℃);相反,在構(gòu)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(xiàn)了內(nèi)外溫差,這種相對的“內(nèi)脹外縮”使混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)它超過混凝土拉伸極限時(shí),裂縫就產(chǎn)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(qiáng)度較低,后期強(qiáng)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?jié)B性較好;干縮性較小;抗裂性較好。

選擇粉煤灰水泥在技術(shù)上有兩點(diǎn)好處:一是減少內(nèi)部水化熱的產(chǎn)生(因?yàn)闇p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(chǎn)生和擴(kuò)展起到了預(yù)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(jié)良好,同樣配比的混凝土其強(qiáng)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(zhì)量。

5.降低水灰比

確定設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)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(bǔ)償收縮的混凝土,這就要求對混凝土結(jié)構(gòu)的早期收縮裂縫要進(jìn)行控制,其思路為“以抗為主”的原則,利用補(bǔ)償收縮混凝土在硬化過程產(chǎn)生的膨脹作用,在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生少量預(yù)壓應(yīng)力用來補(bǔ)償混凝土在硬化過程中產(chǎn)生的溫度和收縮拉應(yīng)力,從而防止收縮裂縫或把裂縫控制在無害裂縫范圍內(nèi)。

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(yǎng)護(hù)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(yīng),使混凝土產(chǎn)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(yù)壓應(yīng)力,可大致抵消混凝土干縮及溫度收縮時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力,防止混凝土開裂。同時(shí)膨脹劑水化時(shí)生成的膨脹結(jié)晶使混凝土的抗?jié)B能力大大提高,從而實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)抗裂與抗?jié)B的目的,提高了結(jié)構(gòu)的整體抗裂性能和抗?jié)B標(biāo)號。

7.設(shè)水平暗梁

由于墻體受施工和環(huán)境溫度、濕度等因素影響較大,容易出現(xiàn)豎向收縮裂縫,混凝土強(qiáng)度等級越高,開裂幾率越大。本工程設(shè)計(jì)時(shí)在計(jì)算滿足的前提下適當(dāng)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(xì)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(shè)計(jì)圖紙中在墻體中部及端部各設(shè)一道水平暗梁,用來控制墻體有害裂縫的出現(xiàn)。

8.增設(shè)構(gòu)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(guān),又由于應(yīng)力集中原因,在離柱子1～2m的墻體上易出現(xiàn)豎向收縮裂縫。設(shè)計(jì)要求在墻柱連接處設(shè)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(yīng)提高10%～15%。這樣,有利于分散墻柱間的應(yīng)力集中,避免豎向裂縫的出現(xiàn)。

9.加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)

摻UEA-H混凝土的養(yǎng)護(hù)是保證工程質(zhì)量的最重要的措施之一,要派專人負(fù)責(zé)養(yǎng)護(hù)工作,混凝土終凝后2小時(shí)即開始養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)期不少于14天。

(1)地下室混凝土采取蓄水養(yǎng)護(hù);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(yǎng)護(hù),或采取蓄水10cm深的方式養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)期內(nèi)應(yīng)保持混凝土內(nèi)外溫差不大于25℃。

(2)墻體養(yǎng)護(hù)一般可以延長模板的拆除時(shí)間3～5天,然后再派專人澆水養(yǎng)護(hù)。

三、結(jié)語

超長大面積混凝土必須嚴(yán)格按有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求組織施工,分區(qū)澆灌為好。本工程施工時(shí),本地的商品混凝土攪拌站還無法做限制膨脹率試驗(yàn)(該試驗(yàn)是在上海完成),所以應(yīng)對與施工過程中監(jiān)理如何控制混凝土限制膨脹率指標(biāo)予以相當(dāng)重視。

在實(shí)際設(shè)計(jì)、施工過程中,應(yīng)把超長地下室混凝土的裂縫控制看作一個(gè)系統(tǒng)工程。不應(yīng)該片面強(qiáng)調(diào)材料等單一因素的作用,而應(yīng)把合理的材料選擇與嚴(yán)密的設(shè)計(jì)方案、科學(xué)的混凝土配合比、嚴(yán)格施工組織和完善的工藝措施相結(jié)合,才能確?；炷恋氖┕べ|(zhì)量,達(dá)到混凝土結(jié)構(gòu)抗裂防水的目的。

參考文獻(xiàn):

[1]GB50007-2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[2]JGJ3-002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[3]GB50011-001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.