超长地下车库温度应力及裂缝控制分析

黄小岗

安徽地平线建筑设计有限公司，安徽 合肥 230061

1 超长地下室温度应力分析

1.1 工程项目概况

亳州市某住宅小区单层地下车库，平面尺寸为380m×210m（长×宽），地上19栋高层住宅。其中，塔楼、纯地库的结构形式分别为现浇剪力墙结构、现浇混凝土框架结构。地上塔楼平均间距为45m，无结构缝。地库平面图如图1所示。

图1 超长地下室平面图

1.2 季节降温的温度作用计算

引起结构温度变化的因素有很多种，包括大气气温变化、太阳的辐射及周边热源情况等。由于该工程为地下工程，顶板上有1.2m厚的覆土，太阳辐射及热源影响因素较小，气温变化成为影响结构温度变化的主要因素。同时，温度变化包含均匀温差、线性梯度温差及非线性温差，其中非线性温温差引起系统自平衡内力，结构构件中不产生净荷载效应；而地下室顶板上有覆土层保护，梯度温差影响较小，可忽略影响；均匀温差主导了结构的变形，对温度作用起到控制作用，对结构影响最为显著。文章仅以均匀温差下的温度应力为研究重点，完成相应的分析工作。

（1）温差计算。文章研究的工程分两期开工，地下室结构施工工期为半年左右，沉降后浇带的封闭时间大概推定在温度相对较低的11月份。该工程所在区域基本气温最低值为-8℃（1月份），基本气温最高值为37℃（7月份），考虑到施工进度的安排，后浇带合龙温度设定为10～15℃。初定夏季地下室的室内外温差取10℃，冬季地下室的室内外温差取5℃，则结构的最高温度Ts,max=27℃，结构的最低温度Ts,min=-3℃。结合现行国标《建筑结构荷载规范》（GB 5009—2012）中的相关条文按照以下公式计算季节温差。

季节最大升温温差△Tk1的计算公式如下：

季节最大降温温差△Tk2的计算公式如下：

式中：T0,min、T0,max分别为后浇带合龙时初始最低、最高温度。

经计算，季节最大升温温差△Tk1=17℃，季节最大降温温差△Tk2=-18℃。

式中：M1、M2、M3、…M10为非标准状态条件下的各项修正系数，该工程结合工程实际状况取M1M2M3…M10=1.303，由于篇幅限值，文章未进行列表计算。

依据公式（3），可知该工程混凝土最大极限收缩量εy(∞)=3.24×10-4×1.303=4.22×10-4。

混凝土浇筑60d后的收缩量εy(t)根据以下公式计算：

式中：b为经验系数，该工程取值0.01；t为浇筑时间，d。

经计算，混凝土浇筑60d后的混凝土收缩量εy(t)=4.22×10-4×(1-e-0.01×60)=1.904×10-4。

（3）混凝土剩余收缩当量温差。该工程混凝土浇筑60d后的剩余收缩当量温差△T’根据以下公式计算：

式中：αc为线膨胀系数，取1×10-5/℃。

经计算，混凝土浇筑60d后的剩余收缩当量温差△ T’=[εy(∞)-εy(60)]÷αc=23.16℃。

（4）考虑徐变影响的综合剩余收缩当量温差。考虑到混凝土徐变有利作用，对计算出的混凝土剩余收缩当量温差进行折减。该工程计算时采用松弛系数折减，松弛系数取0.30，地下室顶板混凝土综合剩余收缩当量温差为0.30×（23.16+18）=12.35℃。

1.3 有限元分析

采用YJK有限元软件建模分析季节温降为-13℃的温度应力，具体模型如图2所示。模型仅建一层地下结构，设置楼板为弹性板。主要计算参数如下：混凝土强度等级为C30；钢筋强度等级为HRB400，设计强度fy为360N/mm2；混凝土热膨胀系数为1×10-5/℃。

图2 有限元分析模型

降温单工况下应力分布图呈现以下特征：X、Y向两个方向的应力值均呈现中部区域大，两端小的特点，端部小范围局部存在压应力；Y向中部区域应力值多集中在2.4～2.9MPa，而X向中部区域应力值多集中在1.6～2.0MPa，很明显Y向中部区域的应力值要比X方向大很多；在主楼剪力墙位置及人防墙的位置，由于存在竖向构件的约束作用，其应力值普遍比其余区域应力大很多。同时可观察到，一个地库剖面上的中部区域应力水平和两端的竖向构件约束刚度存在正向关系，当两端布置竖向构件较多，尤其是主楼位于地库边缘时，对楼板水平约束越大，中部区域的应力值水平越高。因此，结构还需配置通长温度钢筋来抵抗温度应力对结构的不利作用，可根据以下公式计算温度钢筋的配筋率ρs。

式中：σs为楼板温度应力；fy为钢筋的设计强度。

2 控制温度裂缝的技术措施

（1）控制后浇带的合龙温度。降低后浇带合龙时的温度可有效减小剩余混凝土收缩当量温差，从而有效避免在季节降温情况下，混凝土出现开裂风险，有利于进一步提升混凝土整体结构的耐久性。

（2）增设多道后浇带。通过计算可知，混凝土浇筑30d、90d后的剩余收缩当量温差分别为31.3℃、17.6℃，由此可见延长混凝土后浇带的封闭时间可有效控制后期混凝土开裂情况。该工程设计时严格要求后浇带的封闭时间应在两侧混凝土浇筑60d后，且后浇带宽度应控制在1m以上。

（3）在混凝土中添加膨胀剂及抗裂纤维等外加剂。该工程在设计要求底板、外墙、顶板的混凝土中添加膨胀剂及抗裂纤维，并限值混凝土的膨胀率不得小于0.02%，同时要求干缩率不得大于0.03%。此措施可有效控制混凝土早期开裂，同时可有效减小混凝土剩余收缩当量温差。

（4）顶板设置通长抗裂钢筋。该工程地下室顶板厚度为250mm，混凝土强度等级为C30，混凝土抗拉强度设计值ft为1.43N/mm2，钢筋采用HRB400热轧带肋钢筋，温度作用分项系数为1.5，组合值系数为0.6，板配筋采用双层双向通长配筋，钢筋之间的搭接满足搭接长度，连接接头的面积百分比控制小于50%，则设计时Y向温度作用附加应力σy为2.61N/mm2，X向温度作用附加应力σx为1.80N/mm2。根据施工图进行配筋验算，设计时Y向通长筋采用φ14@150（顶面底面双层），总配筋率ρy=0.82%＞σy÷fy=2.61÷360≈0.73%；设计时X向通长筋采用φ12@150（顶面底面双层），总配筋率 ρx=0.60% ＞ σx÷fy=1.80÷360=0.50%。

（5）设计时提高梁腰筋配筋率，以两侧腰筋总配筋率0.3%为控制条件，要求腰筋通长，并按照抗扭腰筋满足相关搭接及锚固要求。

（6）延长养护时间，施工全过程加强混凝土表面保护。该工程施工交底时，强调浇筑混凝土以后的28d，采用标准养护，必要时采用保水养护，防止混凝土前期的塑性裂缝的产生。混凝土强度达到100%时，尽早覆土保护，以减小环境温度的变化对结构的影响。

3 结束语

文章以单层大底盘地下室为研究对象，采用有限元软件建模分析，归纳出超长地下室结构在季节降温的温度作用下的数据资料及分布特征，为结构设计提供理论依据，同时结合工程特点提出多项技术措施，指导现场施工，有效控制裂缝，提高结构的耐久性。工程设计也需和施工单位紧密配合，后浇带合龙温度区间、后浇带平面位置、外加剂的类型及超规范混凝土养护要求应与施工单位进行充分沟通，从而达到设计的预期目的，实现超长地库结构的无缝设计。