某地下车库结构柱开裂原因的分析及防治

苗 青

（山西工程职业学院，山西 太原 030000）

随着我国经济建设水平不断提高，城市居民有车比例大幅增加，地下车库因其空间利用率高、储物空间大、成本低等原因，越来越受到开发商的重视。地下车库一般采用钢筋混凝土结构，由于其所处位置的特殊性，容易受水文地质条件影响。同时，其作为连接上部结构与基础的中间环节，承受上部结构的全部荷载，在整个结构中受力最大。而地下混凝土结构一旦产生裂缝，不仅影响车库正常使用、降低建筑物的耐久性、承载力，甚至会造成重大安全事故。所以，分析地下车库受力构件产生裂缝的原因，并提出预防和控制措施十分重要。

本文以某小区地下车库框架结构为例，运用Abaqus有限元分析软件，建立不同配筋率的框架柱模型，分析该结构模型在设计和实际覆土偏载作用下的内力响应及裂缝展开情况，并对实际覆土偏载作用下不同配筋情况下的构件裂缝展开进行了对比分析，提出相应设计建议。

1 模型建立

1.1 结构模型

用1-Q～1-L轴线、1-14～1-35轴线对小区地下车库进行建模。车库采用框架结构，地下只有一层。构架柱尺寸5m×8m，柱网为5m×8m，底板为300mm×600mm，底板为-5.25mm，顶板为现浇钢筋混凝土板，板厚250mm，板顶标高-0.5m，柱截面为550mm×600mm，柱的顶板高度为4.75m。经模型试算，在设计覆土荷载作用下，无底板模型与有底板模型的计算结果基本一致，故计算采用无底板模型。

采用Abaqus有限元软件对结构进行分析。柱、梁、板均采用强度等级为C30的混凝土，根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010），其密度为2 400kg/m3，弹性模量为3.0×104MPa。柱、梁、板的受力筋均选用HRB400级钢筋，其密度为7 850kg/m3，弹性模量为2×105MPa，采用混凝土塑性损伤模型。

1.2 荷载选取

设计覆土荷载按照荷载规范和设计勘察结果取值，荷载布置为全板均布荷载，实际覆土偏载根据建筑图纸中实际景观布置的位置和大小布设，结构尺寸及局部景观如图1，荷载取值见表1。

图1 结构尺寸及局部景观布置图

表1 荷载情况统计

1.3 约束条件设置

考虑实际工程中所采用的基础形式，柱底采用完全固定的边界约束，即约束其两个水平向、一个竖向的位移及弯曲，这与实际情况相符合。车库顶板边界的约束条件为：约束其两个水平方向的位移，不约束其竖向位移，即允许其产生垂直于板面的纵向位移。

1.4 模型选取

地下室混凝土柱主要承受上层结构的竖向荷载，故一般轴力大、弯矩小，工程中基本都是按最小配筋率构造配筋，但实际使用过程中，混凝土柱经常出现开裂的情况。为分析配筋率的影响，分别取配筋率为0.2%和0.4%进行计算。本文根据不同框架柱配筋分别建立了2个模型，进行设计覆土荷载和实际覆土偏载两种不同荷载下的结构分析计算，具体条件如表1所示。对比分析裂缝产生的影响因素、影响大小及内力分布情况，并提出设计建议。

2 计算结果分析

2.1 框架柱的内力和裂缝分析

表2统计了各种工况下地下车库框架柱混凝土的最大拉应力值，通过对比分析可得出，当混凝土柱顶端出现局部裂缝时，设计覆土荷载下最大拉应力为11.03 MPa，大于混凝土的抗拉强度值1.43 MPa；覆土实际偏载作用下的最大拉应力为12.41 MPa，与设计荷载相比，提高了12.5%左右，应力最大值仍出现在混凝土柱顶端。对比不同配筋率模型在实际荷载下的计算结果，可发现配筋率在0.4%时的拉应力约为配筋率为0.2%时的92.9%，说明在相同荷载下，提高配筋率有利于控制裂缝。

表2 最大拉应力统计

2.2 框架梁的内力和裂缝分析

通过对比分析表2可得出：设计覆土荷载下最大拉应力为5.01 MPa，大于混凝土的抗拉强度值1.43 MPa，此时混凝土梁出现裂缝，通常发生在跨中区域；在实际覆土偏载作用下最大拉应力为5.66 MPa，比设计荷载下增加了约13%，这是由于设计时考虑到景观荷载所致；当框架柱配筋率提高时，框架柱的最大拉应力值减少了约5%，表明提高柱的配筋率对框架梁的裂缝控制有明显效果。

2.3 地下车库顶板内力和裂缝分析

通过对比分析表2可得出，设计覆土荷载下，当板的最大拉应力为4.08 MPa，大于混凝土的抗拉强度值1.43 MPa时，混凝土板出现裂缝，通常发生在板的中心区域；在实际覆土偏载作用下，板的最大拉应力为4.67 MPa，比设计荷载能力提高了约14%，这是由于设计时考虑景观荷载所致；当框架柱的配筋率提高时，地下室顶板的混凝土最大拉应力降低了约4.1%，说明提高柱的配筋率，对地下室顶板的裂缝控制有显著效果。

3 设计建议

（1）在构造设计时，设计覆土荷载的大小和分布应尽量符合实际覆土偏载，具体问题具体分析。

（2）对于复杂结构不能协调荷载作用的情况，可在地下车库结构设计过程中适当提高其最低配筋率，以减缓地下车库受力构件裂缝的发展，并根据软件分析结果，确定合理的配筋率范围。

（3）在建筑设计阶段就要考虑到裂缝的影响，减少景观布置等情况带来的覆土偏载情况，如果不能减少，应尽量降低不同区域的荷载差异，以控制框架受力构件的裂缝问题。

4 结语

本文以某小区框架结构地下室为算例，对比分析了该结构在设计覆土荷载和实际覆土偏载作用下结构梁、柱、板等结构构件的内力响应及裂缝发展情况，得出如下结论。

一是地下车库各受力构件的应力分布与荷载的分布情况、大小有关，框架梁柱节点受力最大，该处在工程使用过程中也最易受损。二是实际覆土偏载作用下梁、板、柱的裂缝发展程度明显高于设计覆土荷载作用下受力构件的发展程度，这表明，结构设计覆土荷载和实际覆土偏载的差异是引起实际工程在使用过程中框架柱出现裂缝的直接原因，并且荷载的分布情况与大小，除了影响结构的内力响应，也对混凝土裂缝产生有直接影响。三是对于框架柱配筋率高的结构，实际覆土偏载作用下梁、板、柱的裂缝情况明显低于低配筋率结构受力构件的裂缝情况。因此，在合理范围内提高框架柱的最低配筋率有利于框架柱、梁和车库顶板的裂缝控制，有利于抵御不均匀的覆土偏载，配筋率越高，效果越明显。