水工建筑物上部框架结构变形缝设置研究

张柏成，王沛彦，张柏林，余金富，李秉昊

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

水工建筑物上部框架结构变形缝设置研究

张柏成，王沛彦，张柏林，余金富，李秉昊

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

变形缝的设置对水工上部建筑的美观及结构安全性具有重要作用，但国内水工建筑物上、下部分的变形缝协调尚未有明确的做法.通过对比和总结国内外规范对变形缝的设置要求，针对不同的水工基础，提出了水工建筑物上部框架变形缝的设缝原则.工程实例表明，提出的设缝方法是合理、有效的，可为今后类似的水工上部框架结构工程提供设计参考.

变形缝；水工基础；上部框架结构

变形缝可分为伸缩缝、沉降缝、防震缝，其中伸缩缝是为了防止建筑物由于温度变化使结构产生裂缝或破坏而设置的构造缝；沉降缝是指为防止建筑物各部分由于地基不均匀沉降引起破坏所设置的垂直缝；防震缝是指地震区设计建筑物时，为减轻或防止相邻结构单元由地震作用引起的碰撞而预先设置的垂直缝隙.水工建筑物不同部位结构类型不同，涉及水工、建筑结构、桥梁等不同的专业，设计时所用的规范也不相同，对变形缝的设置、类型也存在一定的差异.

在工程设计时对于上部结构变形缝的设置，通常的做法是：上部结构与下部水工建筑物的分缝位置及宽度(通常为20 mm)保持一致，但上部结构的缝宽一般不满足防震缝的缝宽要求，且往往变形缝两侧设双柱，墙面和屋面的变形缝较多，易产生漏水现象.为适应复杂的建筑立面和建筑防水的需要，上部建筑部分需少设缝或无缝设计.水工建筑物上部框架结构设缝规律,其本质是解决上部框架和下部水工建筑物的变形、沉降协调问题.框架结构属于空间杆系结构，而下部水工建筑物为块体结构，两者的变形、受力机理是不同的，边界约束条件、环境类别也差别很大.

目前国内水工建筑物上、下部分的变形缝协调尚未有明确的做法可供参考，不利于开展工程设计，针对水工建筑物上、下部结构变形缝设置开展研究和探讨是十分必要的.

1 国内外规范对变形缝的规定

(1)国内不同行业对变形缝的相关规定

对于伸缩缝的缝距，《水工混凝土结构设计规范》SL191—2008和《混凝土结构设计规范》GB50010—2010按环境类别和结构类型大致相同，但水工规范按地基分类更细，岩基和土基的缝距不同，而混凝土规范则没有此要求[1-2].

对于沉降缝的缝距和缝宽，《建筑地基基础设计规范》GB50007—2011和《水工混凝土结构设计规范》SL191—2008设置的原则相近，但对缝宽则不同，前者要求最小缝宽为7 cm，而水工规范大多采用2 cm[3].

对于防震缝，则《建筑物抗震规范》GB50011—2010和《水工建筑物抗震设计规范》SL203—97则差异较大，前者规定在建筑高度小于15 m时，缝宽不小于100 mm；建筑高度大于15 m，其缝宽应根据抗震等级及建筑高度按比例增加缝宽.而后者则规定防震缝缝宽一般为20～30 mm，与建筑物高度没有关系[4-5].

(2)欧美规范对变形缝的相关规定

欧美国家的结构规范对于伸缩缝的缝距没有明确数据要求，多是根据对裂缝产生的主要因素综合考虑，前苏联规范要求与我国相似，即室内或土中缝距40 m,露天缝距25 m，我国早期规范来源于苏联规范，因此有类同处[6].

对于防震缝，美国规范ASCE/SEl 7—05和欧洲规范ENl998—1 ∶2004均要求有足够的缝宽，最小宽度通过计算确定，净距不小于两侧最大水平位移的SRSS组合值[7-8].

对于沉降缝，欧美规范尚未有明确的要求，需设计人员根据自身的经验确定.

2 水工建筑物上、下变形缝设置的新思路

三种缝型产生的机理不同，却可相互共用.沉降缝从基础通到屋顶板，而伸缩缝及防震缝可从地上一层通到屋顶板.实际应用通常按“三缝合一”设置.对于上部框架结构而言，其缝的设置往往是“三缝合一”的做法，取其最大值来确定上部框架结构的缝距和缝宽.下部的水工建筑物以伸缩缝和沉降缝占主，防震缝则通常不考虑.目前国内水工建筑物上下变形缝设置通常是：水工建筑物上下变形缝的分缝位置保持一致，宽度通常为20 mm.

根据分析调研和实际工程设计经验，可按以下3方面进行变形缝设置.

(1)对于下部水工建筑物基础为岩基、砂砾石地基或端承桩基础，下部水工建筑物的变形缝设置主要考虑温度变化引起的伸缩缝，沉降缝和防震缝可不用考虑.其上部框架结构的设缝主要考虑伸缩缝和抗震缝；上部框架结构的缝宽、缝距可以与下部水工建筑物不同，允许跨越下部水工建筑物变形缝；上部框架结构可设置后浇带、温度钢筋措施等做法减少温度变化，从而达到少设缝或加长设缝间距.

(2)对于下部水工基础为有一定沉降量的天然地基或摩擦型桩基础，下部水工建筑物的变形缝设置主要为伸缩缝和沉降缝，抗震缝则不需考虑.其上部的框架结构的设缝均应考虑伸缩缝、沉降缝和防震缝，可“三缝合一”进行设计.上部框架结构的缝距宜与下部水工建筑物缝距相同，一般不宜跨越下部水工建筑物结构缝.

(3)对于下部水工建筑物而言，为了减少因水工结构设缝给设计、施工带来的不利影响，少设缝或无缝设计可采用多种方法：①减少水泥掺量，采用低水化热混凝土标号，减少施工时的温差，加强混凝土结构养护.②设置后浇带.施工期保留一定宽度(0.8～1.0 m)的临时性温度变形缝，等先浇混凝土部分的大部分约束应力消散后，用膨胀混凝土填充封闭，后浇成连续整体的无伸缩缝结构.这是一种“抗放兼备、以放为主”的设计原则[6].③设置膨胀加强带.在结构温度应力较大区域掺入补偿收缩混凝土，从而在混凝土中产生少量预压应力来抵抗温度拉应力，以达到控制温度裂缝宽度的目的，这是一种“抗放兼备、以抗为主”的设计原则.

3 工程实例

(1)衢江红船豆枢纽工程的泄洪闸启闭机房

该启闭机房建筑高度16.00 m，总长度397.26 m，下部为水工泄洪闸段，孔净宽14 m，共24 孔.按照变形缝设置新思路(1)进行启闭机房的变形缝设置：因为下部水工泄洪闸地基为基岩，不考虑基础不均匀沉降因素，每个泄洪孔底板中间设置2 cm的变形缝；上部框架结构的设缝主要因素为伸缩缝和抗震缝，其缝距与下部泄洪闸段不同，按每3个泄洪孔为一单元，50 m左右设一道2 cm缝，跨越下部三条泄洪闸底板永久变形缝；目前项目运行良好(见图1～图2).

(2)德清县湘溪圩区整治工程湘溪闸站

该闸站由主泵房、附属管理房组成(见图3).该闸站基础形式为嵌岩桩，左侧主厂房(含装配场)纵向长36 m,右侧水闸及其上部管理房纵向长25 m，且上部荷载不同；左侧主泵房泵组段为两层箱型基础，基础底为嵌岩灌注桩，装配场部分为嵌岩桩基础；实际设计时装配场与主泵房泵组段上、下部分均设缝处理，而右侧的水闸部分及其管理房基础都为嵌岩桩基础，基础设缝脱开,但上部结构未设缝，而是连成整体，闸站主体已完成，现场未发现裂缝.由此可见，对于端承桩基础，上部框架结构设缝的缝距和缝宽，可跨下部水工伸缩缝，而不必与下部水工建筑物对应设缝，从而达到上部结构的少缝或无缝设计.

图1 衢江红船豆枢纽泄洪闸立面图

图2 衢江红船豆枢纽泄洪闸实景图

图3 德清湘溪闸站纵剖面图

4 结 论

通过对水工建筑物上下部分变形缝协调问题的探讨和实例分析，可以得到以下结论：

(1)在工程设计过程中，可根据工程的水工基础情况，有针对性地开展工程设计，减少结构设缝给设计、施工、运行带来的不利影响.

(2)整体式底板的水工建筑物少缝或无缝设计.为了实现少缝或无缝设计目的，以减少混凝土硬化过程中产生的温度应力，可采用少热混凝土和施工温控施工、设置后浇带、设置膨胀加强带等，从基础上加长缝距，为上部建筑物的设缝创造条件.

(3)水工建筑物基础为岩基或端承桩基础的设缝原则.下部水工基础的变形缝主要考虑温度伸缩作用，其上部框架结构的缝宽、缝距可以与下部水工建筑物缝距不同，允许跨越下部水工建筑物变形缝；上部框架结构可设置后浇带、温度钢筋措施等做法来减少温度变化，从而达到上部结构少设缝或加长设缝间距.

(4)水工建筑物基础为天然地基或摩擦型桩基础的设缝原则.上部结构荷载存在明显差异，计算相邻基础的不均匀沉降值超出满足上部结构规范允许值时，其上部框架结构的缝距宜与下部水工建筑物缝距相同，一般不宜跨越下部水工建筑物变形缝.

[1] 长江勘测规划设计研究院.SL191—2008水工混凝土结构设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2008.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] 中国建筑科学研究院.GB50007—2011建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50011—2010建筑物抗震规范[S].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[5] 中国水利水电科学研究院.SL203—97水工建筑物抗震设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，1997.

[6] 索丽生,刘 宁.水工设计手册[M].2版.北京：中国水利水电出版社,2014.

[7] ASCE Standard.ASCE/SEI 7—05 Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S].Washington，D.C.: American Society of Civil Engineers，2006.

[8] British Standard.BS EN 1998—1：2004 Eurocode 8： Design of structures for earthquake resistance[S].London： British Standards Institution，2005.

DiscussiononJointsofFrameStructureinHydraulicStructures

ZHANG Bai-cheng, WANG Pei-yan, ZHANG Bai-lin, YU Jin-fu, LI Bing-hao

(Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydro-electric Power, Hangzhou 310002, China)

The investigation on the coordination of deformation joints in the upper and lower parts of hydraulic structures in China has not been clearly defined and the setting of deformation joints plays an important role in the aesthetic and structural safety of the hydraulic structures, which needs to be investigated. In this paper, the requirements of deformation joints in different industries are compared and summarized. Different hydraulic foundation is put forward, and the design principle of the joints is adopted in the upper frame of hydraulic structures. Several actual engineering examples are given to show that the proposed method is reasonable and effective, which can provide reference for the future similar hydraulic engineering design of the upper frame structure.

deformation joints; hydraulic structures foundations; the upper frame structure

2016-07-22

张柏成(1977-)，男,浙江临安人,硕士，高级工程师,主要从事土建设计工作.

TU375.4

A

1008-536X(2016)12-0064-03