后浇带水平传力构件优化设计分析

周海军

(中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016)

1 引言

为解决超高层建筑和裙房之间存在的沉降差，以及防止由于混凝土面积过大，结构因温度变化导致混凝土收缩开裂，需设置沉降后浇带、温度后浇带及伸缩后浇带[1]。

现阶段对于后浇带的研究多集中于设计、施工及封闭时机方面。井轮[2]对建筑施工中后浇带的作用和施工技术进行了详细阐述；鲁宇平[3]重点介绍后浇带对钢屋架施工的影响，并结合工程实际和模拟计算，提出释放梁端约束的方法及释放约束后所采取的临时加固措施；唐长领[4]结合实际工程介绍了超高层建筑裙楼和塔楼之间，型钢转换梁跨越沉降后浇带施工技术；苏海明等[5]结合实际工程，对整体结构和局部构件进行有限元模拟，并对半封闭式后浇带进行优化设计。在后浇带设计方面，余钰等[6]依托一超长抗震结构，设计了三种后浇带设置方案，并通过施工期间混凝土成型收缩非线性时程分析验证三种方案的可行性；郭高贵[7]等以长江中下游平原河网地区软基倒T形混凝土结构为研究对象，通过有限元模拟研究该结构后浇带设置最优间距；李国胜[8]通过对收缩后浇带和沉降后浇带的深入探讨，解决了后浇带在设置中的几个关键问题；方涛[9]以某高层框架剪力墙结构为例，探讨高层建筑中超长钢筋混凝土结构的后浇带设计与施工问题。针对后浇带封闭时机，窦远明等[10]利用ANSYS建立结构整体模型，模拟不同施工工序及后浇带封闭情况，研究主裙楼建筑后浇带最佳封闭时机；赵楠等[11]对高层建筑停止降水与沉降后浇带封闭时间进行了探讨；邸道怀等[12]通过实际工程结合沉降计算方法，提出了沉降后浇带封闭原则。

后浇带内设置水平传力构件，国内已有工程实例采用，同时针对构件设计不同形式发明了多个专利。但对于研究水平构件抵抗结构外部荷载变形规律的文献很少，鉴于此，本文结合有限元软件，同时考虑混凝土早龄期不同时间点弹性模量和抗压强度变化，研究在不同混凝土龄期下水平传力构件合适的支护形式，以期为相关工程提供参考。

2 后浇带水平传力构件及有限元模型

2.1 构件原理

依据各种规定及实际情况，后浇带补浇时间各不相同，从十几天到几十天不等。此段时间整个结构处于不完整状态，导致遭受外部荷载时结构内部传力不理想，因受力不均致使结构产生侧向位移。在后浇带之间连接不同形式的构件，将后浇带两侧的梁或板连接在一起，形成整体受力结构，在不减少后浇带数量的情况下，降低整体结构水平位移，使结构受力更加合理，其原理如图1所示。

2.2 有限元模型建立

本文采用ABAQUS软件建立模型，通过数值分析确定后浇带水平传力构件布置方案。以西安绿地丝路全球文化中心项目为工程背景，在确定支护形式时考虑型钢截面形状、连接形式和布设间距三个因素。选取截面形状为H形、方形和圆形，基于主体结构为梁板结构，参照梁截面尺寸，选取传力构件的截面尺寸。H型钢:截面尺寸为H400×400×13×21 mm；方钢管:截面尺寸为口400×400×20×20 mm；圆钢管:截面尺寸为ϕ400×20 mm。H型钢布置剖面如图2所示。连接形式一般采用焊接连接和锚固连接，锚固连接方式如图3所示。一般在梁之间布设传力构件，构件之间的间距即为梁间距。传力构件屈服强度为330 MPa。

建立数值模型需考虑以下几点因素:(1)主体结构混凝土采用实体单元，采用混凝土塑性损伤模型；(2)钢材采用实体单元弹塑性模型，不考虑焊缝、焊接残余应力对结构的影响；(3)由于模型主要考虑传力构件对结构水平位移的影响，暂不考虑结构内钢筋作用。数值计算模型及网格划分如图4所示。

3 混凝土弹性模量及抗压强度试验

3.1 原材料

水泥采用42.5号普通硅酸盐水泥，粗骨料采用陕西富平生产的碎石，级配为5～25 mm连续粒级，压碎指标8% ～9%，细骨料采用水洗砂，细度为3.2，含泥量为5.6%，含石量5%。

3.2 试验方案

依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》，选取边长为150 mm的立方体试块用于抗压强度试验，选取边长150×150×300 mm的棱柱体试件用于静力受压弹性模量试验。试件按龄期分为5 d、7 d、8 d、10 d、12 d、14 d和28 d共7组，每组设置6个试件，并对试块进行标准养护。试验仪器选用混凝土压力试验机，如图5所示。

3.3 试验结果

弹性模量和抗压强度实测值(均值)如表1所示。

表1 C40混凝土弹性模量和抗压强度实测值

4 计算结果分析

根据计算结果，不同龄期下进行土体回填时结构位移如表2所示。位移折减系数为有支护构件下的结构位移与无支护构件下的结构位移比值，该比值越小表明支护结构抵抗结构位移的效果越好。

表2 结构位移及折减系数

续表2

由表2可知，在无支护构件条件下，结构位移随混凝土浇筑天数增加而减小，在混凝土浇筑5 d时结构位移较大，从第8天开始结构位移逐渐减少，且不同位移之间差值也随之变小，表明从此时间段开始混凝土由于强度增加已经可以抵抗部分回填土压力。无支护条件下各时间段结构位移如图6所示。

在有支护构件情况下，混凝土构件形式-结构位移如图7所示(横坐标上H、Y、F分别表示构件截面形式为H形、圆形和方形；图例中的“1”表示焊接连接，“2”表示锚固连接)。通过观察可以发现，锚固连接效果优于焊接连接。对于锚固连接，当混凝土浇筑5 d时，圆形构件截面抵抗结构位移效果最差；随混凝土强度增加，无论构件截面选用何种形状，其效果基本相同。对于焊接连接，无论混凝土强度如何变化，方形截面支护效果最好，H形截面支护效果最差。

5 结构变形监测

各工程所在地地质条件不同，地下结构设计、基础埋深亦会不同，即使后浇带采用相同方案布置水平传力构件，对抵抗结构变形的效果也各不相同。在施工现场进行实时监测，可以随时掌握结构外侧土压力变化及结构变形，并将监测结果与计算结果相对比，以判断设计方案的合理性[13-15]。

依据数值模拟结果，结构后浇带处所设置的临时支撑采用方形截面＋锚固连接时对抵抗结构的水平位移效果最好。实际结构采用相同连接形式，并在挡土墙中心位置布设位移传感器，其监测结果与模拟结果如表3、图8所示。

表3 模拟与监测结构位移对比

续表3

6 结论

通过试验得出C40混凝土在不同龄期下的弹性模量及抗压强度值，并基于ABAQUS有限元软件建立设有水平传力构件的地下室结构模型，研究混凝土不同龄期下进行土体回填时，不同形式的构件抵抗结构水平位移的效果。

(1)在混凝土浇筑完成早期阶段，结构在外力作用下水平位移较大，随着混凝土强度增加，特别是在混凝土浇筑完成8 d后，结构水平位移逐渐减小并趋于28 d龄期下的结构位移，且不同龄期下对应的结构水平位移相差不多。

(2)在后浇带内设置水平传力构件，对于抵抗结构水平位移效果显著，在不同混凝土龄期下，结构水平位移均大幅降低，且控制在一个较小范围内，所有支护条件下的结构水平位移折减系数均在3%以内。

(3)在不同混凝土龄期下，支护构件采用锚固连接的效果要优于焊接连接，且截面形状对其效果影响不大；当采用焊接连接时，采用方形截面抵抗结构位移的效果最好，H形截面效果最差。

(4)结合智能监测系统，对结构变形进行实时监测，并根据分析结果实时优化设计方案。