超長地下結(jié)構(gòu)降低溫度應(yīng)力設(shè)計(jì)方法

姜文輝 何 誠

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

0 引言

隨著地下空間開發(fā)的需要，國內(nèi)超過350 m長度的地下室設(shè)計(jì)案例中，蘇州中心廣場（380 m×360 m）、上海世博中心（414 m×99 m）、恒豐貴陽中心［414 m×（83～145）m］、杭州國際博覽中心（432 m×264 m）、首都機(jī)場地面交通中心（558 m×342 m）、杭州國際金融會展中心（644 m×244 m）等項(xiàng)目不設(shè)縫的長度在不斷突破。但在地下結(jié)構(gòu)施工養(yǎng)護(hù)過程中，混凝土自身的收縮在設(shè)計(jì)上通常要求60 天后澆帶封閉時僅完成約45%，180 天完成約83%，300 天時也只能完成約95%，未完成的收縮都需折算成等效溫差，疊加使用過程中的季節(jié)溫差來綜合計(jì)算地下結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力［1］。文獻(xiàn)［2-7］中對上述超長設(shè)計(jì)采取的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工措施包括：①設(shè)置施工后澆帶；②跳倉法施工；③控制混凝土強(qiáng)度等級、混凝土低溫入模，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)措施；④添加抗裂纖維；⑤通過溫度應(yīng)力計(jì)算適當(dāng)加強(qiáng)配筋；⑥混凝土梁設(shè)置無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋；⑦外墻設(shè)置凸槽布預(yù)應(yīng)力筋；⑧設(shè)置溫度誘導(dǎo)縫等。

雖然在很多超長地下室項(xiàng)目中已經(jīng)有了較為深入的研究，但由于地下室降溫與約束條件情況復(fù)雜，如果能充分研究溫度應(yīng)力成因與分布規(guī)律，在設(shè)計(jì)中主動采取降低溫度應(yīng)力設(shè)計(jì)方法將可以降低溫度應(yīng)力、有效控制裂縫的出現(xiàn)，并節(jié)約工程造價。本文以某超長地下工程為例，通過計(jì)算對比，總結(jié)出幾種有效可行的降低溫度應(yīng)力設(shè)計(jì)方法。

1 溫差

1.1 收縮等效溫差

混凝土的收縮變形主要受到材料性質(zhì)（水泥品種、水灰比、水泥用量、含水量、骨料、外加劑等）、養(yǎng)護(hù)條件（濕度、風(fēng)速、溫度）、尺寸效應(yīng)、干燥時間等因素的影響。在計(jì)算收縮變形時可采用多系數(shù)計(jì)算方法［6］：

式中：εy(t)為混凝土標(biāo)準(zhǔn)收縮應(yīng)變，為時間的函數(shù);為混凝土總收縮應(yīng)變，工程中一般取值4.0×10-4；Mi為各種非標(biāo)準(zhǔn)情況時的修正系數(shù)。

本工程地處位置常年平均相對濕度約為68%，濕度影響系數(shù)為0.78，其他條件按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)考慮?；炷翝仓天后的收縮應(yīng)變見表1。

表1 混凝土收縮應(yīng)變時效性Table 1 Concrete shrinkage strain aging

由表1 可以看出，混凝土的收縮早期發(fā)展較快，在120 天后增長趨緩。收縮等效溫差等同于降溫過程。

1.2 季節(jié)溫差

溫度荷載對結(jié)構(gòu)的影響主要表現(xiàn)為日照溫差、晝夜溫差、驟降溫差和季節(jié)溫差四種形式，其中，日照溫差、晝夜溫差、驟降溫差對結(jié)構(gòu)的影響具有作用時間短、影響范圍小的特點(diǎn)，可不作為長期溫差作用，本文主要考慮建筑物在運(yùn)營過程中季節(jié)溫差對地下結(jié)構(gòu)的影響。而建筑物地下室由于埋置地下，受到地表空氣溫度變化和土體保溫雙重作用，使用階段隨著季節(jié)溫升溫降而引起的變化具有滯后性與削峰性。通常情況下，上海地區(qū)土體溫度超過10 m 深度后基本維持恒溫在年平均氣溫上［5］，如圖1所示。通過對類似深度地下室進(jìn)行一個整年以上的溫度監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)地下一層的溫度變化區(qū)間為11.2 ℃～29.8 ℃，最大溫差為18.6 ℃。地下二層溫度變化區(qū)間為13.5 ℃～29 ℃，最大溫差為15.5 ℃，如圖2所示。地下室越深，溫度的變化幅度就越小，因此地下室季節(jié)溫度變化最顯著的應(yīng)該是地下一層的樓面和頂板，最大的溫差可達(dá)約20 ℃，底板的溫度變化幅度最小。

圖1 上海地層溫度特征曲線Fig.1 Temperature characteristic curve of Shanghai strata

圖2 溫度變化曲線Fig.2 Temperature variation curve

1.3 疊加溫差

本項(xiàng)目地下室采用兩個階段的分坑施工，后階段土體開挖需要前階段完成負(fù)一層結(jié)構(gòu)，后澆帶結(jié)合基坑分隔墻拆除工況從上往下逐層封閉，因此后澆帶封閉時第一階段施工完成樓面至少已有240 天時間，且滿足第二階段樓面60 天以上時間再封閉后澆帶，查表1 折算等效溫差為-（2.6+15.6）/2=-9.1 ℃，季節(jié)溫差變化幅度為0～-18.6 ℃，平均值取-9.3 ℃，如果后澆帶封閉時正處最熱季節(jié)，則溫差為-18.6 ℃。地下二層后澆帶封閉時間分別各推遲一個月為270 天和90 天，查表1 折算等效溫差為-（1.9+11.5）/2=-6.7 ℃度，季節(jié)溫差為0～-15.5 ℃，平均值取-7.8 ℃，如果后澆帶封閉時正處最熱季節(jié)，則溫差為-15.5 ℃。底板后澆帶封閉時間分別再推遲一個月為300 天和120 天，折算等效溫差為-（1.4+8.6）/2=-5 ℃，底板與土體直接接觸，土體溫度基本恒定，季節(jié)溫差基本為零，考慮到底板頂受室內(nèi)溫度影響可按照地下二層折半值取-3.9 ℃。疊加溫差如圖3所示。

圖3 地下各層疊加溫差圖Fig.3 Superimposed temperature difference diagram of underground layers

2 溫度應(yīng)力降低方法

混凝土的溫度應(yīng)力來源于溫度作用下不均勻的變形與結(jié)構(gòu)剛度約束的對抗與平衡。溫度作用主要由收縮等效溫差和季節(jié)溫差兩部分組成，結(jié)構(gòu)剛度約束是由樁基底板、地下室梁柱框架和外墻體共同組成的。降低溫度應(yīng)力可從兩個方面共同著手。

2.1 減小收縮等效溫差方法

減小混凝土的收縮可以從材料自身與混凝土的澆筑養(yǎng)護(hù)和后澆帶設(shè)置與封閉時間幾個方面考慮?；炷敛牧峡梢愿鶕?jù)需要進(jìn)行補(bǔ)償收縮混凝土的設(shè)計(jì)或摻加高效減水劑以及采用56 天或者90 天強(qiáng)度以減少水泥的使用量，達(dá)到減少收縮的目的。

跳倉法先用較短的分倉以“放”為主，以適應(yīng)施工階段收縮，其后再連成整體以“抗”為主，以適應(yīng)長期作用的溫差和收縮。本項(xiàng)目在各分區(qū)的地下室底板和樓層澆筑中均考慮了跳倉施工，將超長底板、樓板或墻分為若干個30～40 m 的倉塊，不設(shè)止水帶，先跳倉澆筑，再分塊并倉，保證相鄰倉塊的澆筑間隔不少于7～10天，分區(qū)之間再設(shè)置后澆帶，如圖4所示。

圖4 跳倉法布置圖Fig.4 Arrangement plan

后澆帶的封閉時間也是減小收縮等效溫差和季節(jié)溫差的關(guān)鍵點(diǎn)。超長地下結(jié)構(gòu)在采用跳倉法的同時，必須結(jié)合基坑設(shè)計(jì)的需要，設(shè)置一定數(shù)量的后澆帶，這樣能有效降低跳倉間隔時間短帶來的收縮應(yīng)力積累問題，如果后澆帶的封閉時間控制在氣溫較低的冬季，這樣結(jié)構(gòu)自身溫度收縮變形到了最大值，后澆帶澆筑連為一體后整個結(jié)構(gòu)是在升溫的過程，在一定程度上可以抵消收縮等效溫差，甚至在結(jié)構(gòu)中提前建立預(yù)壓應(yīng)力。即使做不到冬季封閉，也要避免夏季高溫的時候封閉。后澆帶是應(yīng)力集中的部位，鋼筋宜在此斷開，采用互相搭接的方式，可以釋放養(yǎng)護(hù)過程中的鋼筋應(yīng)力，如圖5所示。

圖5 后澆帶示意圖Fig.5 Detail of post cast strip

2.2 減小季節(jié)溫差方法

地下室結(jié)構(gòu)后澆帶封閉后應(yīng)立即進(jìn)行防水保溫和覆土的施工，避免結(jié)構(gòu)長時間暴露在空氣中，如遇氣溫驟降，混凝土結(jié)構(gòu)隨之降溫過快，溫度應(yīng)力過大且來不及通過混凝土的徐變吸收變形量，極易產(chǎn)生大量的通長樓板和梁的貫通裂縫。因此地下室的外保溫質(zhì)量與及時覆土都是減小季節(jié)溫差的有力措施。

2.3 降低結(jié)構(gòu)約束剛度設(shè)計(jì)方法

底板由于溫差變化很小，且受到樁和承臺或土體的約束，溫度應(yīng)力很小且基本是均勻收縮，而地下室各層結(jié)構(gòu)溫差大，且自身的收縮變形受到框架或者墻體的對抗，因而會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。對降溫作用下地下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布表現(xiàn)以及多個計(jì)算模型變形的分析表明，應(yīng)力的分布從結(jié)構(gòu)的端部向結(jié)構(gòu)的中和軸逐步增加，變形則是從端部向中和軸逐步減小的，收縮變形示意如圖6所示。

圖6 收縮變形示意圖Fig.6 Schematic diagram of shrinkage deformation

減少框架或者墻體對結(jié)構(gòu)溫差變形的約束可以減少溫度應(yīng)力，方法如圖7所示。

圖7 減少溫度應(yīng)力措施示意圖Fig.7 Schematic diagram of measures to reduce temperature stress

（1）地下室外墻通過防水設(shè)計(jì)后設(shè)置伸縮縫。通過減少墻體對附近樓板的約束來減少溫度應(yīng)力。

（2）基礎(chǔ)頂面柱底鉸接。柱底鉸接后地下室框架的抗側(cè)剛度降低后可減少溫度應(yīng)力。

（3）地下一層樓面梁與柱之間采用滑動支座連接。地下一層合適位置通過設(shè)縫可釋放該層的溫度應(yīng)力，且降低了嵌固端以下框架抗側(cè)力剛度，雖然會引起頂板局部范圍應(yīng)力增大，但可以降低整體應(yīng)力。

通過建立四個計(jì)算模型在底板不降溫，其余樓層均降溫10 ℃的情況，來對比頂板和負(fù)一層樓面應(yīng)力分布規(guī)律與應(yīng)力減小幅度。頂板應(yīng)力分布如圖8所示，負(fù)一層樓板應(yīng)力分布如圖9所示。標(biāo)準(zhǔn)模型與三種減少約束方法典型位置的頂板應(yīng)力對比見表2，負(fù)一層應(yīng)力對比見表3。

圖8 頂板應(yīng)力分布示意圖Fig.8 Schematic diagram of roof stress distribution

圖9 負(fù)一層應(yīng)力分布示意圖Fig.9 Schematic diagram of basement floor stress distribution

表2 各種措施下頂板溫度應(yīng)力對比表Table 2 Comparison of roof temperature stress under various measures

表3 各種措施下負(fù)一層溫度應(yīng)力對比表Table 3 Comparison of negative floor temperature stress under various measures

分析對比表格可知，在降溫工況下，負(fù)一層的樓面應(yīng)力大于頂板，超長地下室從端部三分之一開始應(yīng)力將達(dá)到最大值且維持到中間部位，三種方法均能一定程度上降低溫度應(yīng)力，但墻體設(shè)縫會增加防水難度，柱底鉸接會和樓層設(shè)置滑動支座在設(shè)計(jì)中相對容易實(shí)現(xiàn)，但滑動支座相對更有效。本項(xiàng)目在綜合多種因素后采用了地下一層設(shè)置滑動支座的方法。

3 工程實(shí)例與設(shè)計(jì)措施

本文的案例為上海某超大商業(yè)綜合體，地上5～6 層，一共9 幢地上建筑，地下2 層，上部建筑投影下有地下夾層，整體聯(lián)通，超長地下室整體尺寸525 m×418 m，如圖10 所示，地下室深度14 m，如圖11 所示。根據(jù)施工標(biāo)段劃分為三個條形超長地下室，按照基坑分坑開挖的需要，采用兩階段施工，分隔墻位置布置后澆帶，后澆帶結(jié)合基坑分隔墻拆除工況從上往下逐層封閉。

圖10 地下室分區(qū)平面圖Fig.10 Basement zoning plan

圖11 建筑整體剖面圖Fig.11 Overall section of building

根據(jù)圖3 的降溫?cái)?shù)值，對南區(qū)地下室整體模型進(jìn)行分層施加溫度作用后得出了各層的拉應(yīng)力值與分布情況。地下室頂板應(yīng)力分布如圖12所示，負(fù)一層樓面應(yīng)力分布如圖13 所示，底板應(yīng)力分布如圖14 所示。各點(diǎn)拉應(yīng)力值見表4。在不考慮徐變折減前，各層的拉應(yīng)力均超有過C35混凝土的抗拉設(shè)計(jì)值強(qiáng)度的區(qū)域。考慮長期徐變因素，拉應(yīng)力可以乘以0.3 的折減系數(shù)，頂板、底板和地下一層樓面產(chǎn)生的溫度應(yīng)力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，可見，負(fù)一層采用滑動支座方法來降低溫度應(yīng)力是有效的。但對于此規(guī)模的地下室，各樓層也需要采取抵抗拉應(yīng)力的配筋措施。

圖12 頂板應(yīng)力分布圖Fig.12 Roof stress distribution

圖13 負(fù)一層板應(yīng)力分布圖Fig.13 Basement floor stress distribution

圖14 底板應(yīng)力分布圖Fig.14 Base plate stress distribution

表4 各種措施下溫度應(yīng)力對比表Table 4 Temperature stress comparison under various measures

3.1 設(shè)計(jì)配筋加強(qiáng)

根據(jù)各層應(yīng)力分布圖，地下室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布三分之一中段應(yīng)力穩(wěn)定在最大值，兩側(cè)的三分之一逐步減小，因此配筋加強(qiáng)也按照這個原則分為中段主加強(qiáng)和兩側(cè)的次加強(qiáng)與弱加強(qiáng)三個區(qū)域。底板樓板的配筋采用通長焊接或者接駁器方式確保鋼筋是一通到底的，按照平均溫差應(yīng)力折算鋼筋面積附加，主次梁結(jié)合利用腰筋的布置進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑黾?，如圖15 所示。

圖15 鋼筋加強(qiáng)分布示意圖Fig.15 Reinforcement distribution diagram

3.2 構(gòu)造加強(qiáng)措施

地下室結(jié)構(gòu)在樓電梯間、中庭等開洞處會出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，在端部轉(zhuǎn)角也會存在雙向應(yīng)力復(fù)雜區(qū)域，因此在設(shè)計(jì)過程中對這些地方進(jìn)行構(gòu)造性的加強(qiáng)是非常必要的。本項(xiàng)目對開洞較大處的邊梁與一米板塊進(jìn)行了加強(qiáng)，對大洞口陰角一跨樓板及外墻轉(zhuǎn)角端部樓板進(jìn)行了加強(qiáng)，如圖16所示。

圖16 洞口及墻體轉(zhuǎn)角加強(qiáng)示意圖Fig.16 Schematic diagram of opening and wall corner reinforcement

4 結(jié)語

本文總結(jié)了超長地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，通過對某超500 m 長地下室工程案例進(jìn)行溫差應(yīng)力計(jì)算分析，對比了“抗”和 多種“放”的應(yīng)力分布及峰值，得出如下結(jié)論和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)供參考借鑒：

（1）減少收縮等效溫差的方法有：摻加減水劑，采用60/90 天強(qiáng)度減少混凝土中水泥摻量，合理的分倉縫與后澆帶組合以及推遲封閉時間和選擇低溫季節(jié)封閉后澆帶。

（2）后澆帶封閉后立即進(jìn)行地下室防水保溫及土體回填可避免氣溫驟降引起的開敞地下室墻板開裂。

（3）計(jì)算結(jié)果表明，中間層樓板采用滑動支座設(shè)縫后切分成多個短的結(jié)構(gòu)單元或底板位置的柱底鉸接等方法可減小地下結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度，從而降低溫差引起的收縮應(yīng)力，在工程實(shí)踐中可以按條件應(yīng)用。

（4）溫度應(yīng)力鋼筋布置按照分區(qū)來設(shè)計(jì)，超長方向鋼筋要首尾徹底搭接通長，樓電梯間或中庭等洞口范圍要進(jìn)行針對性加強(qiáng)配筋設(shè)計(jì)，地下室轉(zhuǎn)角和陰角處屬于應(yīng)力集中處也要進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。