高層建筑筏板應力的現(xiàn)場實測與分析

宋桂華 李俊才

樁筏基礎由于具有承重大、沉降小和適應性強等優(yōu)點而得到越來越廣泛的應用[1],但在筏板的設計計算上、在筏板厚度確定的問題上、在上部結(jié)構—樁筏基礎—地基共同作用的問題上等,并沒有清晰的思路,缺乏完善的方法,使得設計中有許多不合理之處[1-3]。在南京大學MBA大樓工程建設中,對筏板應力和沉降進行了原位測試,以期為筏板的理論研究和優(yōu)化設計提供實測資料。

1 現(xiàn)場測試

南京大學MBA大樓,地上24層,建筑物高度89.2 m,框架筒體結(jié)構,基礎采用整體樁筏式基礎,筏板尺寸46.2 m×31.2 m× 2.1 m,設計荷載641 MN,工程樁采用預制管樁,直徑0.6 m,抗壓極限承載力不小于5.5 MN,共滿堂均勻布樁164根,樁心距3.0 m[4]。筏板面層和底層對稱雙向配筋Φ 36@150,在承重柱連線所成的軸線位置鋼筋直徑加大為40 mm,面層和底層鋼筋之間設置拉筋和箍筋。

筏板施工時,在相應于筏板1/4面積的西南角區(qū)域內(nèi)設置了8個筏板應力監(jiān)測點,并在筏板上設置了沉降監(jiān)測點,在筏板應力監(jiān)測區(qū)域內(nèi)共有4個沉降監(jiān)測點[4,5],監(jiān)測點布置平面圖見圖1。

在筏板鋼筋綁扎過程中,在對應于立柱、工程樁及兩者之間共8個位置上安裝鋼筋軸力計和混凝土應變計,各監(jiān)測點位置見圖1。每個監(jiān)測點安裝8支鋼筋軸力計和2支混凝土應變計,安裝示意圖見圖2,鋼筋軸力計的量程為-180 kN(壓)～360 kN (拉),混凝土應變計的量程為-800 μ ε(壓)～500 μ ε(拉)。

鋼筋軸力計與筏板主筋采用直螺紋連接,以形成一個連貫整體;混凝土應變計用細鐵絲固定在箍筋之間,安裝于筏板中層位置,在混凝土澆筑后與混凝土膠結(jié)在一起;沉降測點采用不銹鋼材質(zhì),安裝在承重柱等位置并與之牢固連接在一起。為避免因儀器損壞而無法得出應測數(shù)據(jù),鋼筋軸力計和混凝土應變計成對安裝,測值取平均值。

1.1 工程概況

1.2 監(jiān)測結(jié)果

在工程主體結(jié)構施工期間,地下室部分約半個月澆筑一層,地面以上結(jié)構每個星期至少完成一層,根據(jù)每層混凝土澆筑量及鋼筋用量等可推算出結(jié)構自重荷載,推算值見表1。至主體結(jié)構封頂時,除個別儀器因施工損壞外,其他監(jiān)測儀器均工作正常,保證了測試數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。

表1 結(jié)構自重荷載

1.2.1 基礎沉降

因水準觀測采光和視線等限制,沉降監(jiān)測點在地下室施工完成后進行設置并測定初始值,在地面以上結(jié)構施工中,每完成一層,測試一次。

基礎沉降較為均勻,隨著荷載增加,沉降量緩慢增長,各測點之間相差不大。主體結(jié)構封頂后,各測點中最大沉降14.9 mm,最小沉降11.0 mm,最大差異沉降3.9 mm(間距約20 m);分析各沉降監(jiān)測點的分布位置,位于筏板中心核心筒的測點沉降測值最大,位于筏板邊緣的測點測值最小。筏板應力監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的沉降監(jiān)測點沉降測值過程線見圖3。

在測試初期,各測點沉降量均隨荷載線性增加,各測點之間相差不大,沉降量幾乎相等;在荷載達到150 MN左右(第7層)后,各測點沉降速率開始有所差異,筏板中心沉降逐漸大于筏板邊緣的沉降,此時H25沉降3.2 mm,H24沉降3.4 mm,H19沉降3.7 mm,H20沉降4.3 mm;在荷載達到200 MN左右(第13層)后,各測點沉降速率逐漸減小,沉降量逐漸趨于穩(wěn)定,此時H25沉降7.4 mm,H24沉降8.1 mm,H19沉降9.7 mm,H20沉降10.1 mm;在主體結(jié)構封頂后,H25沉降11.0 mm,H24沉降12.5 mm,H19沉降13.0 mm,H20沉降13.9 mm,位于筏板中間的H19,H20沉降大于位于筏板邊緣的H24,H25,其中H20位于核心筒位置,沉降量最大。

1.2.2 鋼筋應力和混凝土應變

混凝土澆筑后水化熱和收縮徐變對筏板應力有非常大的影響,如果要完全消除水化熱和收縮徐變等非荷載因素的影響,應至少需1個月的時間。本工程中,因施工工期和施工工序等要求,在混凝土初凝后即進行上部結(jié)構的施工,難以精確選取鋼筋軸力計和混凝土應變計的初始值,則計算時把筏板混凝土澆筑前的測值作為初始值,計算所得的測值包含了水化熱和收縮徐變等的影響。

鋼筋軸力計測值為軸力,可根據(jù)所測鋼筋直徑將軸力值換算為應力值;混凝土應變計測值為應變。筏板澆筑完成后,鋼筋軸力計測值顯示鋼筋迅速處于受壓狀態(tài),混凝土應變計測值顯示混凝土處于受拉狀態(tài);在荷載達到100 MN左右(第1層)后,面層和底層的鋼筋軸力計測值開始出現(xiàn)差異,面層鋼筋壓力值繼續(xù)增大,底層鋼筋壓力值逐漸減小,混凝土拉應變逐漸減小。鋼筋應力測值(拉為正,壓為負)過程線見圖4,混凝土應變測值(拉為正,壓為負)過程線見圖5。

地下室施工期間(荷載：0 MN～100 MN),鋼筋應力和混凝土應變測值過程線均存在明顯的跳躍行為,這是由混凝土的水化熱和收縮徐變引起的,地下室施工完成時距筏板澆筑已有2個月,可以認定此后的測值基本不再受水化熱和收縮徐變的影響。分析筏板應力時,可以第1層澆筑前后(荷載100 MN左右)的應力測值為原點和初始值。

以第1層澆筑前后為原點,忽略地下室施工對筏板應力的影響,可得出這樣一個結(jié)論：在地面以上結(jié)構施工期間,筏板面層鋼筋逐漸受壓,底層鋼筋逐漸受拉,位于筏板中層的混凝土逐漸受壓,各測點的鋼筋應力值和混凝土應變值均較小。在主體結(jié)構封頂后,各測點面層鋼筋應力值為-50 MPa～-10 MPa,G1～G5測點,東西向測值比南北向測值略大些,G6～G8測點,東西向測值比南北向測值略小些,各測點測值間的變化趨勢不太明顯;各測點底層鋼筋應力值為5 MPa～50 MPa,東西向與南北向測值的關系與面層鋼筋相同,但各測點測值間的變化趨勢不太明顯;各測點的混凝土應變值為-80 μ ε～0 μ ε,各測點測值間的變化趨勢不太明顯。

1.3 分析

基礎沉降較小,差異沉降也較小,這是由于荷載較小,在主體結(jié)構封頂時,推算荷載為309.23 MN,遠小于設計荷載641 MN,同時筏板較厚且與工程樁剛性連接,則荷載小時,基礎沉降和差異沉降也小。

在本次原位測試中,針對于筏板應力的監(jiān)測也存在著幾點不足,應加以完善：1)溫度等非荷載因素欠缺考慮,應在筏板應力監(jiān)測點增設無應力計,以消除溫度等非荷載因素對筏板應力的影響。2)監(jiān)測點位置應拉大距離,對稱布置于整塊筏板上,這樣可更好地得出筏板應力分布的情況。3)鋼筋軸力計與鋼筋不宜采用直螺紋連接,因直螺紋會讓儀器與鋼筋間存在空隙,從而使測值難以準確反映受力情況。4)混凝土應變計應多設置幾個安裝高程,這樣可更好地反映筏板不同深度受拉狀態(tài)向受壓狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。5)地下室施工期間,基礎沉降和筏板應力應設法準確測得。

2 結(jié)語

在上部結(jié)構、樁筏基礎和地基三者之間,筏板作為承上起下的混凝土構件,主要起著變形協(xié)調(diào)的作用,使上部結(jié)構和地基變形趨于一致。目前,在筏板的設計計算上并沒有清晰的思路,缺乏完善的方法,使得設計中有許多不合理之處。

從現(xiàn)場實測結(jié)果可以看出,各沉降監(jiān)測點沉降較小且均勻,各筏板應力監(jiān)測點應力較小。由于筏板內(nèi)鋼筋應力值較小,在工程設計時可酌情考慮減少配筋;由于基礎沉降均勻,筏板內(nèi)應力較小,在工程設計時可考慮通過合理布樁,減少工程樁,減小筏板厚度,節(jié)約基礎工程造價。

[1] 馬威銘.樁筏基礎的筏板內(nèi)力計算方法與應用[J].廣東土木與建筑,2006(4)：18-19.

[2] 郭宏磊,丁大鈞,李成江.樁筏基礎中筏板厚度確定的研究[J].工業(yè)建筑,2005,35(5)：28-32.

[3] 周定松,王鶯歌,張保印.考慮筒體結(jié)構剛度影響的筏板內(nèi)力與變形研究[J].四川建筑科學研究,2003,29(2)：14-17.

[4] 宋桂華.疏樁基礎在高層建筑中的應用研究[D].南京：南京工業(yè)大學碩士學位論文,2007.

[5] 李俊才.高層建筑疏樁筏板基礎現(xiàn)場實測與分析[J].巖土力學,2009,30(4)：1018-1022.