某大型住宅超长地下室结构温度应力分析

何明哲

（中国中元国际工程公司，北京 100089）

1 引言

随着建筑行业日新月异的发展，大型住宅项目超长地下室大量涌现。在结构设计中，如何进行温差取值，如何选取温度工况进行温度应力分析并采取措施，已成为此类项目结构设计中的关键问题。本文结合实际项目案例，对地下室进行温度应力分析，并从设计和施工方面给出较为全面的措施和建议。

2 项目概况

本工程地下建筑面积85 800m2，主要功能为车库、设备用房和战时人防。地下室分为南、北两片区域，南区地下室呈鱼骨形布置，北区地下室呈L形布置，南、北区地下室连为一体，东西向最大长度约为340m，南北向最大长度约为450m。局部如图1所示。

图1 总平面示意图

地下室外墙厚250～350mm，顶板厚250～400mm。墙、柱混凝土强度等级为C30，梁、板混凝土强度等级为C35。采用独立基础加防水板的基础形式，高层塔楼部分采用筏板基础，CFG桩地基处理。设计基准期：50a，设计使用年限：50a；结构安全等级：二级；结构重要性系数：1.0；最高月平均温度33℃，最低月平均气温-24℃。

3 温度应力分析

3.1 设计计算温差的确定

对于超长结构混凝土开裂而言，间接作用的影响主要体现在环境温度的降低和混凝土的收缩变形，对于后者，工程界经常将混凝土的收缩变形等效为当量温差。因此，混凝土收缩变形有两方面，即当量温差和环境降温温差。

按照施工和设计工况，温差计算时，分为3种工况，即后浇带封闭前的施工阶段、后浇带封闭至使用前的施工阶段以及结构使用阶段。

通过合理设置后浇带，将地下室顶板每个结构区段长度控制在30m以内，后浇带封闭前混凝土收缩变形以及温度作用对结构影响很小；而在结构使用阶段，考虑夏季空调，冬季采暖因素，地下室部分的温差不会超过施工期间，因此，对使用期间不做分析。综上，最不利的工况为后浇带封闭至使用前的施工阶段，以下对此工况做进一步分析。

对于本项目，要求后浇带封闭后尽快完成地下室侧墙回填、顶板保温及洞口封闭，最低月平均气温可取-5℃[1]。设后浇带合龙时温度为5～10℃，则环境温度的最不利降温温差为-15℃。最高月平均气温按25℃考虑，则环境温度的最不利升温温差为20℃。

混凝土收缩变形εs可通过公式ΔTs=εs/α换算成当量降温温差ΔTs，其中α为混凝土的线膨胀系数取1.0×10-5。收缩变形εs(t)=ε0(1-e-0.01t)M1M2…M11，式中，M1M2…M11对于后浇带封闭至使用前的施工阶段可取1.0；ε0为初始收缩变形对于C40以下混凝土取3.24×10-4；式中，t为龄期，d[2]。

从开始施工到后浇带封闭，历时6个月，混凝土收缩变形为εs(0)-εs(90)=3.24×10-4-3.24×(1-e-0.01×180)×10-4=0.54×10-4，换算成当量温差为-5.4℃。采用补偿收缩混凝土，要求限制膨胀率为2.0 ×10-4，取实际膨胀率1.0 ×10-4，大于混凝土收缩变形，采用补偿收缩混凝土可补偿混凝土收缩[3]，因此，本项目计算时，收缩变形的当量温差不予考虑。

由于混凝土徐变效应以及刚度折减效应，计算温差还应折减，其中徐变系数取0.3，刚度折减系数取0.85，因此，最终采用的设计降温温差为-15×0.3×0.85=-3.825℃，升温温差为20×0.3×0.85=5.1℃。

3.2 计算模型

计算采用北京迈达斯技术有限公司出品的Midas Gen有限元分析软件，建模时，楼板和墙体均采用考虑面内、面外刚度的板单元模型，梁柱采用梁单元模型，模型中仅考虑地下室。假定结构嵌固于基础底板顶面，即不考虑基础及地基弹性约束对结构的有利影响。

基础偏于安全地采用固定约束，不考虑地基与基础的弹性约束作用。计算时材料参数如表1所示，图2、图3为计算模型示意图，图3给出A～G区的楼板分区示意。

表1 材料参数表

图2 计算模型轴测图

3.3 主要计算结果

3.3.1 楼板计算结果

对于楼板，升温工况以受压为主，降温工况以受拉为主，因此，关注降温工况下的楼板应力分布，以采取针对措施防止楼板开裂。根据降温工况内力分析结果，可以得到以下规律：

图3 计算模型俯视图

1）长度较长的楼板在该方向上内力较大，如Y向长度较大的D区和F区，Y向内力明显大于其他区域；

2）在局部洞口、标高变化、拐角等区域存在内力突变值，是薄弱区域需要采取措施；

3）排除内力突变值，楼板的较大内力值分布在300～650kN/m。

A～E区楼板内力结果（未考虑局部应力集中）汇总于表 2。

表2 楼板分区内力表kN/m

3.3.2 墙体计算结果

对于墙体，无论升温或降温工况，端部墙体在楼板的外推或内拉作用下都会产生较大剪力，由于升温温差大于降温温差，因此升温工况对应剪力值更不利。计算分析表明，楼板端部墙体剪力值较大约200～400kN/m，在短墙和墙体拐角处，最大可达600kN/m，中部剪力值较小。

4 技术措施

4.1 设计措施

1）配筋措施：楼板应力σ＝F／h（F为单位宽度楼板拉力，h为板厚）。忽略混凝土的抗拉强度，所有拉力由钢筋承担，则单位宽度所需钢筋面积为As=1.4×0.6×F/360=1.4×0.6×σh/360（1.4和0.6分别为温度作用的分项系数和组合系数）。

2）后浇带设置：合理设置后浇带，后浇带间距30m，宽度0.8m。后浇带内钢筋不得直通，在后浇带内错开搭接，后浇带浇筑前在搭接位置中部搭接钢筋单面焊10d（d为钢筋直径单位）。在环境温度相对较低时封闭后浇带，要求合龙温度在10℃以下，后浇带采用比两侧混凝土提高一级的补偿收缩微膨胀混凝土浇筑密实并加强养护。后浇带养护时间不少于28d，且应一次浇捣完成。

3）采用补偿收缩混凝土：地下室梁板结构以及墙体采用补偿收缩混凝土技术，限制膨胀率0.020%，具体工艺应满足JGJ/T 178—2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》的相关要求。

4）混凝土中掺入以聚丙烯为原料的短纤维（掺入量可为0.9kg/m3），改善混凝土的塑性收缩、抗裂性，提高抗冲击力及抗震性能。

5）地下室顶板配筋均为双层双向通长配筋，控制钢筋间距不大于150mm；根据计算分析，适当提高通长钢筋的配筋率。

6）对于超长方向梁适当增加通长纵筋，梁腰筋单侧配筋率大于或等于0.1%，间距不大于200mm，并满足抗拉筋构造要求。

又是一声鹰啸，岩鹰在空中一个折转，从他的背后再度狠扑而来。他此时再难抵挡，不由得心中一凉：看来今天注定难逃鹰爪！又转念一想，与其丧在鹰爪下，还不如跳下深渊，临死体验一次“飞翔”也好。他想到此处，正要松手，忽听身后岩鹰发出一声惨叫，翅膀扑啦啦乱抖，竟忽地远离了自己。他一愣，扭头一望，见岩鹰的胸脯处，插着一枚绿色的竹叶镖。

7）地下室外墙水平分布钢筋除满足受力要求外，最小配筋率宜为0.4%～0.6%，间距不宜大于150mm，且水平筋放置在竖向筋外侧。

8）当外墙设有扶壁柱时或外墙转角处，宜在扶壁柱处或转角处沿竖向原有水平分布钢筋间距之间增加直径12mm、长度为柱每边伸出800mm的附加钢筋。

9）对分析中发现的薄弱部位，采用增加板厚及配筋的方式进行加强。

4.2 施工措施

合理的施工措施，是保证设计合理性的关键。对于超长地下室的施工，在混凝土材料选择和配比及混凝土的浇筑、养护、施工方式等方面，均应做到以下几点：

1）水泥应采用粉煤灰水泥。粗骨料不得采用砂岩，除应符合现行行业标准JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》的有关规定外，宜选用粒径5～31.5mm，并应连续级配，含泥量不应大于1%；细骨料的选择，宜选用中砂，其细度模数宜大于2.3，含泥量不应大于3%。

2）在满足施工要求的前提下，尽量减小混凝土坍塌落度，减小水泥浆量和水灰比。

4）混凝土浇筑宜在初凝前二次振捣，新浇混凝土表面宜在混凝土初凝后终凝前二次抹压。

5）混凝土浇筑时应采取措施排除沁水。

6）超长结构采用跳仓法施工时，宜布置垂直于跳仓施工缝长度方向的构造。

7）钢筋均匀布置在上下层（或内外层）钢筋上，直径宜取12mm，间距不大于150mm，两端各伸出跳仓施工缝不小于500mm，并固定于上下层（或内外层）钢筋上。

8）施工过程必须注意保湿保温的养护措施。环境湿度越大，养护时间越长，收缩越小。混凝土养护时，采取花管淋水、薄膜或草帘覆盖，并洒水保持湿润，拆模后使混凝土周围环境的相对湿度达到80%；不得在雨中浇灌混凝土，注意现场防风及太阳直射。

9）混凝土拆模时间应根据工程具体情况确定，拆模强度应满足施工规范的要求。应尽量延长养护时间，不低于2个月。

10）后浇带封闭后应及时回填覆土。

5 结语

根据本文计算分析结果，在大型住宅项目超长地下室结构设计中，提供建议如下：

1）需根据自然环境和项目周期，对施工阶段和使用阶段温度工况进行综合判断，选择合理的温差和温度工况进行分析，计算温差可考虑开裂刚度折减和混凝土徐变的有利影响，折减系数为0.3×0.85=0.255；

2）混凝土收缩变形的不利影响可通过采用补偿收缩混凝土抵消；

3）采用后浇带，将结构划分为若干小于30m的区段，施工阶段温度应力可忽略；后浇带封闭后，尽快完成地下室侧墙回填、顶板保温及洞口封闭；

4）对于楼板、墙体温度应力较大处，如长向楼板的长方向，平面端部的墙体，应力集中处（局部洞口、拐角处），相关梁、板、墙体配筋需加强；

5）施工措施是设计合理性得以保证的基础，应从混凝土材料的选用、混凝土的养护、拆模及施工方式上采取合理措施以确保设计的合理性。