某高层地下室结构无缝设计

李 波 李延刚

当前建筑设计的发展对建筑结构设计提出越来越高的要求,设置变形缝要求缝两侧的结构完全独立,不仅给使用造成诸多不便,也加大了地下室防水的难度,因此大部分高层建筑地下室均不设置变形缝,而是通过其他途径解决地下室超长以及主楼、裙楼间不均匀沉降的问题,一般称之为“无缝设计”。本文整理了无缝设计的几种基本方法,并分析了其优缺点,结合本工程地下室结构设计过程,提出多种方法联合作用实现不设变形缝的思路。

1 无缝设计的基本方法

1.1 伸缩缝

设置伸缩缝主要是为了释放温差和混凝土收缩、徐变产生的应力,防止结构开裂渗水。常用的替代伸缩缝的无缝设计基本方法包括后浇带、加强带、诱导缝、掺加外加剂和预应力技术等。

后浇带是代替伸缩缝最常用的方法,技术相对成熟。后浇带只能解决混凝土的早期应力问题,对于后浇带浇筑后混凝土徐变和温度应力则不能发挥作用,而且从后浇带留设到其混凝土浇筑,通常需要几个月时间,这造成施工时的许多不便。且在浇筑封闭之前,后浇带内很容易落入杂物或在浇筑后浇带两侧板时流入混凝土浆液。

诱导缝用于替代伸缩缝,可以有效释放整个施工和使用期间产生的混凝土拉应力,且混凝土一次性同时浇筑,不间断施工。缺点在于诱导缝设置间距较小,布置灵活度较差。

掺加外加剂也是使用较多的方法,通常是在混凝土中添加一定比例的膨胀剂,在混凝土中建立“化学预压应力”,使用起来相对简单,对施工其他过程影响小,常与其他方法联合使用。

施加预应力减少伸缩缝的设置,有针对性地设置预应力钢筋,通过施加预应力来抵消混凝土收缩产生拉应力,从而达到减少伸缩缝和控制开裂的目的。随着预应力张拉和锚固技术的发展,预应力施工难度大大下降,且易于人为控制整个地下室混凝土的应力分布状态,因此在近年来不断得到应用推广。其最大缺点在于施加预应力必然在一定程度上提高工程造价。

1.2 沉降缝

高层建筑中主楼部分与裙楼部分层数相差悬殊,荷载与刚度相差很大,基础沉降量不同。设置沉降缝主要是为了减小主楼与裙楼基础的相互影响,释放沉降差异造成的次应力,避免地下室及裙房结构出现裂缝甚至破坏。要取消高层建筑主楼与裙房地下室之间的沉降缝,常用“抗”“调”“导”三类方法。

1)当基础沉降量不大时,可通过加强上部结构,抵抗不均匀沉降引起的结构内力,保证结构的安全性,即“抗”的方法。2)当具备一定的条件时采用桩基础,利用桩长、桩径及桩型的不同,将沉降差调节到结构允许的范围内,即“调”的方法。3)用后浇带将两者基础分开,等基础完成部分沉降后再进行浇筑,同时合理调整主楼与裙楼、地下室交接节点为铰接节点,减小沉降差引起的结构内力,即“导”的方法。

2 工程实例

本工程地上22层,总高122.0 m,主体高96.0 m,地下 1层,层高4.6 m,裙房1层,为钢结构大堂,高12.7 m。主楼四周为单层停车场及设备用房,整个建筑平面为长方形,长边长度达到99 m,短边长50 m,主楼平面呈椭圆形,位于整个建筑平面中央偏西。

本工程地下室两个方向尺寸均超过GB 50010-2002混凝土结构设计规范中伸缩缝的间距要求,并且主楼与裙房及地下室层数相差非常悬殊,在不设置变形缝的情况下,需要采取措施消除两部分沉降差带来的不利影响。结构设计中,首先对应需要解决的问题分别采用Midas有限元分析软件的GEN和SDS两个模块对地下室进行分析,见图1,图2。从GEN的分析结果可以看出,在桩基础约束下,底板和侧壁在温度变化时产生了较大的温度应力,在桩基础约束作用较大的情况下,底板两方向应力较均匀,与结构总长度关系不大;而地下室顶板由于建筑要求存在多处不连续,温度应力分布不均匀,但应力值并不大;从SDS的分析结果可以看出,在结构自重作用下,主楼下方基础的下沉量显著大于单层地下停车场下基础,设置后浇带后主楼基础下沉量较周边部分的基础大8 mm～12 mm。

根据以上分析结果,实际设计中采用了无缝设计基本方法中的多种方法共同作用来解决温度应力和不均匀沉降带来的问题。

1)设置后浇带。本工程地下室顶板、底板相同位置设置了四道后浇带,宽1 m,将主楼与裙房、地下室完全分开,并要求后浇带在主楼封顶后浇筑封闭。设计时根据主体结构自重下(不含墙体等围护结构)沉降差计算值,预设主楼与地下室沉降差10 mm,实际后浇带封闭浇筑时主楼与地下室沉降差约为8 mm,与计算分析结果相符。

除了调整主楼与裙楼、地下室之间的沉降差,这四道后浇带还释放了底板混凝土收缩和温度变形所带来的应力。设置了这四道后浇带也为主楼与地下室使用不同强度等级的混凝土提供了可能,实际设计中,主楼部分地下室底板与承台采用C45混凝土,地下室其他部分为C35混凝土,这不仅与主楼部分大柱距(10 m)、地下室其他部分小柱距(6 m)的结构布置形式相适应,同时降低了主楼底部墙柱与地下室底板混凝土强度等级差别,解决了主楼底部墙柱桩承台连接时可能出现的局部承压问题,使施工更加方便。

侧壁上,与顶板、底板后浇带连通的位置设置四道后浇带,采用与底板相同的后浇带形式。此形式的后浇带可以配合设置施加预应力,作为预应力钢筋的锚固端或张拉端。考虑到地下室长度不到100 m,不需要设置预应力也可以较好地控制裂缝,本工程未采用预应力方案。

2)适当加强通长配筋。底板、顶板及侧壁钢筋均按通长布置,楼板中通过板后浇带的钢筋,做成双层钢筋并应断开搭接,搭接长度 Ld≥45d,浇灌板带混凝土前将分离筋加焊。主筋较密时,则钢筋不断开,但后浇带位置用附加短筋方式对板配筋进行适当加强。

3)掺加外加剂。地下室底板、顶板、侧壁采用微膨胀混凝土,其中后浇带内掺HEA型材料12%,后浇带外掺HEA型材料8%,掺量按胶凝材料总重量比计。

4)限制沉降总量。本工程地质条件较好,经验算主楼位置总沉降量小于30 mm,故未另外采取措施。

5)主楼与裙楼、地下室顶板交接节点的调整。视情况对主楼与裙楼、地下室顶板交接处结构节点进行调整。

裙楼楼板和地下室顶板除后浇带处加强配筋外,主楼边缘支座处也对配筋进行加强,即采用“抗”的方式。钢结构大堂与主楼交接的节点采用铰接节点,并在设计时考虑沉降差的影响,采用“导”的方式。

3 存在的问题

目前江门电视中心工程已经封顶,后浇带施工完毕,经过多次大雨后地下室顶板、底板、侧壁等各处均未出现裂缝渗水情况,业主使用方反映良好,但施工当中仍发现一些问题,如后浇带位置钢筋较密,浇筑混凝土时留缝所用的泡沫填料难以取出,以后的设计中应该设法解决。

4 结语

通过以本工程的无缝设计为例,说明通过做好各方面的计算分析,采取几种措施联合作用,高层建筑的超长地下室可以在不设置伸缩缝和沉降缝的情况下保证结构的安全可靠和正常使用。

[1] GB 50108-2001,地下工程防水技术规范[S].

[2] 王铁梦.工程裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[3] JGJ 3-2002,J 186-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].