高层建筑筏板应力的现场实测与分析

2010-03-06宋桂华李俊才

山西建筑 2010年4期

宋桂华李俊才

桩筏基础由于具有承重大、沉降小和适应性强等优点而得到越来越广泛的应用[1],但在筏板的设计计算上、在筏板厚度确定的问题上、在上部结构—桩筏基础—地基共同作用的问题上等,并没有清晰的思路,缺乏完善的方法,使得设计中有许多不合理之处[1-3]。在南京大学MBA大楼工程建设中,对筏板应力和沉降进行了原位测试,以期为筏板的理论研究和优化设计提供实测资料。

1 现场测试

南京大学MBA大楼,地上24层,建筑物高度89.2 m,框架筒体结构,基础采用整体桩筏式基础,筏板尺寸46.2 m×31.2 m× 2.1 m,设计荷载641 MN,工程桩采用预制管桩,直径0.6 m,抗压极限承载力不小于5.5 MN,共满堂均匀布桩164根,桩心距3.0 m[4]。筏板面层和底层对称双向配筋Φ 36@150,在承重柱连线所成的轴线位置钢筋直径加大为40 mm,面层和底层钢筋之间设置拉筋和箍筋。

筏板施工时,在相应于筏板1/4面积的西南角区域内设置了8个筏板应力监测点,并在筏板上设置了沉降监测点,在筏板应力监测区域内共有4个沉降监测点[4,5],监测点布置平面图见图1。

在筏板钢筋绑扎过程中,在对应于立柱、工程桩及两者之间共8个位置上安装钢筋轴力计和混凝土应变计,各监测点位置见图1。每个监测点安装8支钢筋轴力计和2支混凝土应变计,安装示意图见图2,钢筋轴力计的量程为-180 kN(压)～360 kN (拉),混凝土应变计的量程为-800 μ ε(压)～500 μ ε(拉)。

钢筋轴力计与筏板主筋采用直螺纹连接,以形成一个连贯整体;混凝土应变计用细铁丝固定在箍筋之间,安装于筏板中层位置,在混凝土浇筑后与混凝土胶结在一起;沉降测点采用不锈钢材质,安装在承重柱等位置并与之牢固连接在一起。为避免因仪器损坏而无法得出应测数据,钢筋轴力计和混凝土应变计成对安装,测值取平均值。

1.1 工程概况

1.2 监测结果

在工程主体结构施工期间,地下室部分约半个月浇筑一层,地面以上结构每个星期至少完成一层,根据每层混凝土浇筑量及钢筋用量等可推算出结构自重荷载,推算值见表1。至主体结构封顶时,除个别仪器因施工损坏外,其他监测仪器均工作正常,保证了测试数据的连续性和完整性。

表1 结构自重荷载

1.2.1 基础沉降

因水准观测采光和视线等限制,沉降监测点在地下室施工完成后进行设置并测定初始值,在地面以上结构施工中,每完成一层,测试一次。

基础沉降较为均匀,随着荷载增加,沉降量缓慢增长,各测点之间相差不大。主体结构封顶后,各测点中最大沉降14.9 mm,最小沉降11.0 mm,最大差异沉降3.9 mm(间距约20 m);分析各沉降监测点的分布位置,位于筏板中心核心筒的测点沉降测值最大,位于筏板边缘的测点测值最小。筏板应力监测区域内的沉降监测点沉降测值过程线见图3。

在测试初期,各测点沉降量均随荷载线性增加,各测点之间相差不大,沉降量几乎相等;在荷载达到150 MN左右(第7层)后,各测点沉降速率开始有所差异,筏板中心沉降逐渐大于筏板边缘的沉降,此时H25沉降3.2 mm,H24沉降3.4 mm,H19沉降3.7 mm,H20沉降4.3 mm;在荷载达到200 MN左右(第13层)后,各测点沉降速率逐渐减小,沉降量逐渐趋于稳定,此时H25沉降7.4 mm,H24沉降8.1 mm,H19沉降9.7 mm,H20沉降10.1 mm;在主体结构封顶后,H25沉降11.0 mm,H24沉降12.5 mm,H19沉降13.0 mm,H20沉降13.9 mm,位于筏板中间的H19,H20沉降大于位于筏板边缘的H24,H25,其中H20位于核心筒位置,沉降量最大。

1.2.2 钢筋应力和混凝土应变

混凝土浇筑后水化热和收缩徐变对筏板应力有非常大的影响,如果要完全消除水化热和收缩徐变等非荷载因素的影响,应至少需1个月的时间。本工程中,因施工工期和施工工序等要求,在混凝土初凝后即进行上部结构的施工,难以精确选取钢筋轴力计和混凝土应变计的初始值,则计算时把筏板混凝土浇筑前的测值作为初始值,计算所得的测值包含了水化热和收缩徐变等的影响。

钢筋轴力计测值为轴力,可根据所测钢筋直径将轴力值换算为应力值;混凝土应变计测值为应变。筏板浇筑完成后,钢筋轴力计测值显示钢筋迅速处于受压状态,混凝土应变计测值显示混凝土处于受拉状态;在荷载达到100 MN左右(第1层)后,面层和底层的钢筋轴力计测值开始出现差异,面层钢筋压力值继续增大,底层钢筋压力值逐渐减小,混凝土拉应变逐渐减小。钢筋应力测值(拉为正,压为负)过程线见图4,混凝土应变测值(拉为正,压为负)过程线见图5。

地下室施工期间(荷载：0 MN～100 MN),钢筋应力和混凝土应变测值过程线均存在明显的跳跃行为,这是由混凝土的水化热和收缩徐变引起的,地下室施工完成时距筏板浇筑已有2个月,可以认定此后的测值基本不再受水化热和收缩徐变的影响。分析筏板应力时,可以第1层浇筑前后(荷载100 MN左右)的应力测值为原点和初始值。

以第1层浇筑前后为原点,忽略地下室施工对筏板应力的影响,可得出这样一个结论：在地面以上结构施工期间,筏板面层钢筋逐渐受压,底层钢筋逐渐受拉,位于筏板中层的混凝土逐渐受压,各测点的钢筋应力值和混凝土应变值均较小。在主体结构封顶后,各测点面层钢筋应力值为-50 MPa～-10 MPa,G1～G5测点,东西向测值比南北向测值略大些,G6～G8测点,东西向测值比南北向测值略小些,各测点测值间的变化趋势不太明显;各测点底层钢筋应力值为5 MPa～50 MPa,东西向与南北向测值的关系与面层钢筋相同,但各测点测值间的变化趋势不太明显;各测点的混凝土应变值为-80 μ ε～0 μ ε,各测点测值间的变化趋势不太明显。

1.3 分析

基础沉降较小,差异沉降也较小,这是由于荷载较小,在主体结构封顶时,推算荷载为309.23 MN,远小于设计荷载641 MN,同时筏板较厚且与工程桩刚性连接,则荷载小时,基础沉降和差异沉降也小。

在本次原位测试中,针对于筏板应力的监测也存在着几点不足,应加以完善：1)温度等非荷载因素欠缺考虑,应在筏板应力监测点增设无应力计,以消除温度等非荷载因素对筏板应力的影响。2)监测点位置应拉大距离,对称布置于整块筏板上,这样可更好地得出筏板应力分布的情况。3)钢筋轴力计与钢筋不宜采用直螺纹连接,因直螺纹会让仪器与钢筋间存在空隙,从而使测值难以准确反映受力情况。4)混凝土应变计应多设置几个安装高程,这样可更好地反映筏板不同深度受拉状态向受压状态的转化。5)地下室施工期间,基础沉降和筏板应力应设法准确测得。