某超长地下室柱开裂原因分析

王 伟,程 数,王 海

(1. 浙江省建设工程质量检验站有限公司,浙江 杭州 310012；2. 浙江省建科建筑设计院有限公司,浙江 杭州 310012)

1 工程概况

某综合体项目地上由若干幢多层钢筋混凝土结构房屋组成,地下为一层大底盘地下室,采用天然基础及桩基础,地下室结构平面布置见图1,建筑平面呈多边形,东西向长约270 m,南北向长约250 m,层高3.4～5.2 m,顶板标高为-1.850～-0.050 m,柱及梁、板混凝土强度等级均为C35,主楼范围顶板厚160 mm,纯地下室部分顶板厚300 mm,地下室结构未设置伸缩缝。地下室顶板浇筑混凝土时间开始于2015年6月,后浇带混凝土封闭时间为2016年4月至5月,2017年2月发现1号楼高低跨交接处柱顶开裂,此时地下室顶板尚未覆土。

2 开裂情况查勘

经现场查勘,该地下室1号楼高低跨交接处框架柱顶普遍存在开裂现象,裂缝从高跨梁底标高处斜向开展至边梁底标高处的柱边,裂缝示意见图2,现场情况见图3。框架柱截面尺寸为700 mm×700 mm(柱截面配筋见图4),高低跨纵向梁高均为800 mm,高低跨顶板板面高差为1 100 mm。

图2 柱顶裂缝示意图

图3 柱顶裂缝 图4 柱截面配筋图

3 结构受力分析

3.1 常规荷载作用下承载力计算

通常情况下,结构承受的荷载包括结构自重、楼面及屋面活荷载、风荷载、积雪荷载、地震荷载等[1-2],地下室顶板结构尚应考虑施工荷载及车辆荷载。本文采用PKPM系列结构分析软件对该地下室在常规荷载作用下的承载力进行复算,本项目位于非抗震区,结构计算时不考虑地震作用,计算中不考虑高低跨影响。计算参数见表1。

表1 计算参数一

计算表明,在常规荷载作用下,该地下室高低跨交接处框架柱的正截面及斜截面承载力均满足规范要求。

3.2 超长结构温度应力分析3.2.1 模型说明

温度应力对于超长结构是一个不可回避的问题,本文采用Midas/Gen程序对地下室局部范围进行分析,结构模型见图5,模型考虑顶板变标高(高低跨)的影响。计算参数见表2,并假定结构处于线弹性状态,该地下室后浇带混凝土封闭时间为2016年4月至5月,2017年2月发现柱顶开裂,在此期间内地下室顶板未覆土处于暴露环境,参考当地气象资料，温度荷载取值-20℃。

图5 计算模型

参数数值参数数值混凝土强度等级C35弹性模量Ec/(N/mm2)3.15×104线膨胀系数αc/℃1×10-5导热系数λ/[kJ/(m·h·℃)]10.6比热容c/[kJ/(kg·℃)]0.96温度作用/℃-20

3.2.2 计算结果

在降温荷载作用下,地下室顶板梁中产生明显的轴向拉力,沿结构纵向自边跨到中间跨,梁所承受的轴向拉力逐渐增大,边跨框架梁轴向拉力为117.4～191.8 kN,中间跨框架梁轴向拉力为703.2～878.3 kN,地下室结构轴力分布见图6。降温荷载导致框架柱中产生剪力,沿结构纵向自边跨到中间跨,框架柱承受的剪力逐渐减小,但高低跨交接处的框架柱下段中产生了较大的剪力,在高低跨交接处框架柱的上段则产生了显著的剪力(1 894.5～2 741.9 kN),地下室结构剪力分布见图7。

图6 地下室结构轴力分布图

图7 地下室结构剪力分布图

3.3 结构开裂原因分析

在实际工程中,设计师在结构计算时通常不考虑高低跨的错层效应,而是将高低跨两侧梁板结构设置在同一标高,并采取构造加强措施以保证节点区域的正常工作。本文通过有限元计算发现：超长结构在温度荷载作用下,沿房屋纵向的水平结构构件(梁、板)中将产生显著的轴向应力,进而导致高低跨交接处框架柱的上段产生显著的剪力,降温过程产生的剪力方向与柱顶裂缝开展的方向一致,且与施工资料记录的情况相吻合。本工程地下室高低跨交接处柱截面尺寸为700 mm×700 mm,箍筋采用HRB400级钢筋,配筋为Φ6@200,采用多边形复合箍,且未采取其他构造加强措施,从而导致该部位框架柱的上段产生剪切裂缝。

4 高低跨交接处构造措施探讨

现有的分析计算程序,对高低跨平面可以按整体平面输入,然后通过调整楼面标高的方法形成错层平面布置,但计算结果可能出现异常。为避免上述情况的出现,可优先考虑通过采取恰当的构造措施,消除或减轻高低跨给结构带来的不利影响：

1)可在框架柱上段设置梁侧加腋(图8)以改善水平向的传力途径；为改善水平结构构件(梁、板)的轴向应力问题,建议适当增强高低跨两侧的梁、板配筋。

2)在温度荷载作用下,框架柱的上段将产生显著的剪力,柱上段箍筋应加密,且建议采用井字形复合箍。

3)为降低超长结构的温度应力,建议结构后浇带封闭后应尽快完成地下室顶板面的覆土施工,避免结构长时间处于暴露环境。

图8 设置梁侧加腋

5 结 语

某超长地下室高低跨交接范围集中出现了框架柱顶剪切裂缝,经计算复核,在常规荷载作用下,该地下室高低跨交接处框架柱的正截面及斜截面承载力均满足规范要求。

考虑高低跨错层效应的影响,通过Midas/Gen程序对比分析发现：超长混凝土结构在温度荷载作用下,沿房屋纵向的水平结构构件(梁、板)中将产生显著的轴向应力,高低跨交接处框架柱的上段则产生显著的剪力。本工程地下室高低跨交接处框架柱箍筋配筋不足,且未采取有效的构造加强措施,是导致该部位框架柱的上段产生斜向开裂的主要原因。工程实践中,可考虑通过采取恰当的构造措施,消除或减轻高低跨给结构带来的不利影响。