考慮共同作用下主裙樓建筑后澆帶力學性能和封閉時機研究

馮啟隆

（山西工程科技職業(yè)大學，山西 晉中 030600）

0 前言

在城市化建設進程朝著更快速度變化更新的背景下，大眾關于現(xiàn)代建筑空間結構多樣性、功能復合性的需求也不斷提升，集娛樂、購物、住宿為一體的主裙樓建筑結構大受關注。而前者不可避免地會受到結構、基礎、地基的共同作用，進而出現(xiàn)力學性能的良性或者惡性變化。基于此，以共同作用為背景，以主裙樓建筑沉降后澆帶為對象，研究其封閉后反力性能、封閉時機就具有非常重要的意義。

1 共同作用和后澆帶的概述

1.1 共同作用的概述

共同作用就是指將基礎、高層建筑、地基（含樁）視為一個整體，在滿足這個整體接觸部位變形協(xié)調(diào)條件的基礎上，地基（墊層下面承受基礎重量的土壤）、基礎（墊層上方、梁墻或柱下方）與建筑上部結構（基礎以上的結構）的內(nèi)部聯(lián)系表現(xiàn)[1]。其可以將建筑的全部荷載穩(wěn)定有序地傳遞到墊層下面的部分，為變形、內(nèi)力分析提供依據(jù)。在高層建筑中，建筑與地基基礎共同作用涉及了建筑箱形基礎與地基共同作用、建筑筏形基礎與地基共同作用、建筑樁筏基礎與地基協(xié)同作用、建筑樁箱與地基協(xié)同作用等。共同作用分析與實際工程契合度較高，計算結果、現(xiàn)場實測結果偏差不大[2]。

1.2 后澆帶的概述

后澆帶（post-cast strip）就是為了適應現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構各部分沉降量不相同、水泥與砂石以及水的比例混合物由大變小、環(huán)境空氣溫度驟然變化等因素，在包括基礎底板的板端承受外力及重量構造、梁端承受外力及重量構造、墻端承受外力及重量構造適當位置中預留的水泥與砂石以及水的比例混合物帶，其具有一定寬度，且需要間隔一段時間（構件內(nèi)部收縮）再進行澆筑[3]。一般在氣候溫度處于較低水平時，可以選擇直接澆筑強度等級高于構件一個級別水泥混凝土，或者澆筑摻加少量鋁粉的水泥，防控后澆帶周邊出現(xiàn)裂縫等薄弱部位。

后澆帶需要以臨時施工縫的方式留設。通過臨時施工縫，將建筑承受外力及重量構造暫時性地進行若干部分劃分。進而經(jīng)過再澆筑振搗，解決承受外力及重量構造溫度作用力、高低層差異下沉陷落應力等導致的結構安全、防水質(zhì)量不良轉(zhuǎn)變問題[4]。

2 考慮共同作用下主裙樓建筑后澆帶力學性能和封閉時機

2.1 案例分析

G 高層建筑建設面積為18562.00m2，主樓21 層，高78.18m，裙樓6 層，高27.00m，地下2 層，房屋長61.80m，根據(jù)GB50666 的相關要求，需要進行混凝土收縮縫、溫度縫的設置。主樓下基礎為梁板式基礎，基礎梁尺寸為1350.00mmx2756.00mm，筏板厚度為 1.00m；裙房下基礎梁尺寸為1150.00mmx1580.00mm，筏板厚度為0.60m。擬建建筑基底直接持力層為重粉質(zhì)粘土－黏土+局部砂質(zhì)粉土，直接持力層下為中低壓縮性重粉質(zhì)粘土、第四紀粉質(zhì)細中砂以及卵石。經(jīng)過分析，該建筑墊層下面承受基礎重量的土壤可以不選擇人為構筑物，但主樓、裙樓間差異下沉陷落量仍然與要求存在較大偏差，因此，需進行下沉陷落后澆縫的恰當規(guī)劃設想[5]。但從建筑使用功能、立面造型方面進行分析，后澆縫、溫度縫、收縮縫設置難度較大，且可行性不高。為避免上述問題出現(xiàn)，可以事先擬定寬度為1000.00mm 后澆帶設置方案。即選擇G 高層建筑內(nèi)力處于較小的部位，經(jīng)主樓、裙樓連接跨，從地下室底板、4 層裙樓頂梁以及板的三分之一跨部位向外延伸7.Z/3=2.40m。同時在主裙樓連接跨范圍內(nèi)，分別進行網(wǎng)筋、梁板鋼筋的斷開、加強處理，同時在板位置進行雙層鋼筋設置；對于地下室底板，為了保證底板后澆帶工程作業(yè)開展期間地下室土方回填作業(yè)無故障開展，可以在地下室外墻位置進行后澆帶的恰當設置。

鑒于該主裙樓建筑后澆帶需要承擔溫度縫、伸縮縫、沉降縫的作用，高層部分沉降程度與高低層沉降差異成反比。因此，在高低層主體承重下沉陷落構全部工程無遺漏作業(yè)后，且具體沉降觀測結果與規(guī)范無較大差異時，可以進行后澆帶混凝土的澆筑。

2.2 考慮共同作用下主裙樓建筑后澆帶力學性能和封閉時機數(shù)值模擬

在ANSYS 軟件內(nèi)，進行G 高層建筑共同作用后澆帶模型建立。對于筏板基礎、上部結構以及地基土，分別依據(jù)線彈性材料、理想彈塑性材料考慮，并在Drucker-Prager 內(nèi)進行模型構建。同時采取solid65 單元、shell81 單元、shell63 單元、beam181 單元，進行地基、筏板基礎與后澆帶、樓板及核心筒、梁與柱部位模擬?？紤]到地基范圍處于一個較大的數(shù)值，除了采取共結點連接地基、地下室外，還可以在地基以上截取部分（水平方向從基礎邊緣向外散射狀放寬三倍基礎寬度，深度方向取兩倍基礎寬度）開展區(qū)域邊界位置移動接近于0 的計算。

具體模擬時，需要從主裙樓工程實施作業(yè)順序入手，在主裙樓內(nèi)設置b1（裙樓）、b2（裙樓）、p1（主樓）、p2（主樓）四個點，并提取ANSYS 軟件內(nèi)自帶的基礎沉降核算參數(shù)，經(jīng)單元生死技術“殺死”沒有建設的單元部分后順序于不同狀態(tài)下激活，為對比分析提供依據(jù)。

①為正常作業(yè)程序，具體為地下室→前兩層或一層裙房、主樓→后兩層或四層裙房、主樓→十層主樓→十五層主樓→封頂。

②為設計施工步驟，具體位置兩層地下室→十層主樓→兩層裙房→后兩層裙房→十五層主樓→封頂。

③為地下室→十層主樓→十五層主樓→封底→前兩層裙房→裙房封頂。

在①工況下，裙房位置沉降發(fā)展較為平和緩慢，無較大波動，這主要是由于地基為承載力較高的軟巖，不會對主樓、裙房沉降造成過大影響。而在主樓施工作業(yè)不斷深入進程中，主樓位置荷載也持續(xù)增加，造成了日益加劇的沉降，致使主樓、裙樓之間差異持續(xù)擴大至封頂；而在②下，十層主樓建設時刻裙房沉降被首次激活，且在整個工程建設階段沉降處于一個較低的水平，且整體變化具有緩慢性、勻稱性。但是在主樓工程建設期間開展裙房建設，無法保證主樓、裙房沉降發(fā)展速率趨于一致，且兩者間沉降差異處于在不間斷增加狀態(tài)。進而導致沉降后澆帶封閉前期（或整個建筑施工作業(yè)完成前）獨立完成多數(shù)主樓沉降，主樓與裙樓之間的不均勻沉降差值也形成一個穩(wěn)定的數(shù)值，引發(fā)后澆帶封閉時機前移；而工況③倒數(shù)第三個步驟為主樓施工作業(yè)提前完成后開展裙房工程建設，在裙房工程建設的同時促使主樓以一個較小的速度進行沉降釋放。在該施工順序下，主樓、裙房沉降差異發(fā)展速度處于一個最小的水平，主樓、裙房沉降差異也沒有呈現(xiàn)繼續(xù)擴大態(tài)勢，保證工程建設期間G 高層建筑整體沉降的大體完成。因此，可以選擇③作為G高層建筑后澆帶操作順序。

在G 高層建筑后澆帶操作順序確定后，可以在結構-基礎-地基作用下，以后澆帶設置在主樓裙房第一跨為前提條件，進行后澆帶封閉時間的研究。即對比G 高層建筑主裙樓后澆帶封閉前期、封閉后期工況差異，經(jīng)單元生死技術，先后開展工程建設階段不封閉后澆帶并讀取裙房主樓沉降（含基底反力）、工程建設階段封閉后澆帶并在中途記錄主樓裙房沉降（含基底反力）。

表2 中①、②、③后澆帶封閉時機分別為未施工裙房并在主樓施工完畢后、封頂后、施工前兩層裙房并在主樓施工完畢后。由表2 可知，更改順序后，主樓與裙樓沉降差隨施工作業(yè)推進發(fā)展態(tài)勢趨緩，且隨著后澆帶封閉時間的推移，主樓向裙房擴散載荷、兩者的沉降差均朝著更小的水平發(fā)展。同時由于沉降后澆帶封閉前期，后澆帶周邊地基承擔著主樓荷載，經(jīng)基礎獲得的有效擴散渠道受阻，致使主樓沉降處于一個迅速變化的態(tài)勢。若后澆帶封閉時間過分推遲，就會給主樓荷載擴散造成一個阻滯力，誘發(fā)主樓沉降數(shù)值的擴散。因此，應結合GB50007 關于高層建筑沉降差允許值應為0.002～0.003L（柱距）的標準，在①時可以進行后澆帶封閉。

表2 后澆帶沉降及基底反力（平均）

3 結束語

綜上所述，上部結構通過基礎、墻、柱連接，基礎底面、地基相接觸，形成了一個環(huán)環(huán)相扣的體系。在體系各模塊接觸位置，不單單傳遞著荷載，而且進行了相互作用、約束。通過沉降后澆帶代替沉降縫、溫度縫、收縮縫，可以在約束主樓、裙樓間沉降差異形變的同時，釋放初期混凝土水化、后期混凝土收縮引發(fā)的形狀變化，避免裂縫等薄弱部位的形成。同時設計人員可以在ANSYS 軟件內(nèi)，以擬設后澆帶的主裙樓建筑為單元，開展上部結構-基礎-地基共同作用過程模擬。從封閉后澆帶前后階段入手，結合理論計算、實際沉降觀測記錄，選擇最佳封閉時機。