超长地下室结构的无缝设计及施工技术措施
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[ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 1] [ 2] [ 3] 王铁梦 . 工程结构 裂缝控 制 . 北京 : 中国建 筑工业 出 版社 , 1997 混 凝土 结构 设计 规 范 ( GB50010 # 2002) . 北 京 : 中 国建筑工业出版社 , 2002 游宝坤 . 混凝土膨 胀剂及 其应用 . 北 京 : 中 国建材 工 业出版社 , 2002
c=
# # # 钢筋拉应力( MPa) ;
A s # # # 钢筋截面积; E s # # # 钢筋弹性模量( M Pa) ; # # # 配筋率 ( % ) ; 2 # # # 混凝土限制膨胀率( 即钢筋伸长率% ) 。 从以上公式可以看出 ,
c 与 2
成正比关系,
而限制膨胀率随膨胀剂的掺量增加而增加, 所以, 可以通过调整膨胀剂的掺量, 可使混凝土获得不 同的预压应力。 根据对超长地下室混凝土结构裂缝成因的分 析而得到的应力曲线 , 可以设想在
图6
膨胀加强带示意做法
( 2) 后浇膨胀加强带。后浇膨胀加强带设置 在主裙楼交接处, 该加强带的设置除了有利于控 制超长混凝土结构由于收缩应力产生的裂缝外, 很大程度上还能缓解主楼与裙房之间差异沉降带
来的不利影响。后浇膨胀加强带带宽 3m, 具体做 法基本与膨胀加强带相同 , 其中留置阶梯缝主要 是为了提高该部位的防水效果以及加强带内与带 外混凝土的结合, 见图 7。
s
新天地超 长地下 室的 设计, 在收缩 应力 集中的 max 处设置膨胀加强带 , 带中采用大膨胀混凝土, 带外采用微膨胀混凝土 ( 通过限制膨胀率控制 ) ; 此外 , 在主裙楼交接处设置后浇膨胀加强带。膨 胀加强带与膨胀后浇带的具体做法如下所述 : ( 1) 膨胀加强带。每隔约 30m 左右设置一道 膨胀加强带, 带宽 2m, 带两侧架设密孔铁丝网, 目 的是防止两侧混凝土流入加强带。带外侧用小膨 胀混凝土 , 到加强带时改用大膨胀混凝土, 到加强 带另一侧时, 又改用小膨胀混凝土。如此循环下 去, 可连续浇筑超长混凝土结构。膨胀加强带的 做法见图 6 。根据试验研究 , 在钢筋混凝土中建 立 0. 25~ 0. 60M Pa 的预压应力可大致抵消混凝 土收缩时产生的拉应力 , 如果混凝土板中配筋率 为 0. 5% ~ 0. 8% , 那 么按公式
第 21 卷第 6 期 2005 年 12 月
结 构 工 程 师 Structural Eng ineers
Vol. 21, No. 6 Dec. 2005
超长地下室结构的无缝设计及施工技术措施
王
提 要
干1
赵建忠1
李应权2
( 1. 苏州工业园区设 计研究院 , 苏州 215021; 2. 中国建筑材料科学 研究院 , 北京 100024)
拉以及混凝土受压性能 , 尽可能使组合板的中和 轴位于二者的交界面上 ; 组合楼板若配置横向钢 筋, 且使横向钢筋与压型钢板点焊连接 , 也可以提 高组合板纵向抗滑移能力 ; 本压型钢板带有压痕, 对提高组合板纵向抗 剪承载力起到 了较好的作 用; 另外, 端部焊栓钉的板的承载能力远大于不带 栓钉的板, 因为压型钢板端部与支座钢板用栓钉 焊为一体, 从而较大地提高了组合板的纵向抗剪 承载力, 对于栓钉的抗剪能力 , 现行规范尚无定量 化的规定 , 有待于进一步研究。
Abstract Based on const ruct ion project of T he New T echnolog y World of SIP Science & T echnolog y Park, t his paper analyses t he st ructural behavior of overlong basement concrete. Some new met hods for cont rolling cracks are described in detail as well. L ast but not least , the desig ners hope t his paper can be used as a reference in designing similar fut ure projects. Keywords overlong concrete, crack cont rolling, bulgy concret e 1 为该建筑效果图。该工程 0. 000 以上从西到
1
概
述
东分别为 A 座研发办公楼 ( 长 88. 5m, 宽 17. 8m, 高 88m ) 、 B 座商 业 配套 服务 楼 ( 长 155. 3m , 宽 30. 4m, 高 23m ) 、 C 座 人 才公 寓 ( 长 99. 3m, 宽 18. 7m, 高 90m) , 三栋楼在结构上以抗震缝分开。 0. 000 以下设有二层人防地 下室, 地下室平时 主要作为 停车库 使用 及设备 用房, 地下 室长约 260m, 宽约 120m, 总面积约为 4. 4 万 m 2 , 整个地 下室不设永久性缝, 图 2 为地下室平面布置图。
c c=
适宜的补偿, 从而控制有序裂缝的出现。
A s s= A sE s =
2
图5
膨胀应力
c
与收缩应力
max 示意图
而配筋率 ∀ 则 式中
c#
As A c+ A s
4
无缝设计及施工措施
通过以上的分析 , 苏州工业园区科技园科技
As A c = 1E s 2 / ( 1- ) c= # # 混凝土预压应力 ( MPa) ; A c # # # 混凝土截面积 ;
图 1 建 筑效果图
!工程设计!
! 69 !
结构工程师第 21 卷第 6 期
图 2 地下室平面 图
本文结合该工程对超长混凝土结构裂缝控制 进行分析研究, 并全面介绍该工程超长混凝土无 缝设计及施工处理方法 , 希望对以后类似工程的 设计提供一些参考。
排列经常在工程中见到。
2
超长地下室混凝土裂缝成因分析
m ax 处给予较
E s 2 / ( 1-
大的 膨胀应力 c, 而 在两侧给 予较小的 膨胀应 力, 见图 5, 以便混凝土结构的收缩应力得到大小
) 计 算 混 凝土 限 制 膨 胀 率 约为 0. 025% ~ 0. 035% 。此外, 考虑到膨胀加强带位置是混凝土收 缩应力最大的地方 , 设计在加强带部位另加了补 偿钢筋。
近年来 , 我国各种大型公共建筑的建设得到 了快速发展 , 建筑师以及建设方对不设缝的混凝 土结构的长度要求越来越高, 尤其是对于地下室 结构 , 由于存在防水问题 , 要求地下室不设缝的呼 声越来越高。 英、 美、 法、 日等国的混凝土结构设计规范对 伸缩缝间距无严格规定 , 只要求超过一定长度后 计算温度引起的应力并采取必要的措施。但是, 我国规范 ( GB 50010- 2002) 规定了 伸缩缝的最 大间距( 不同结构形式的间距也不同) , 同时规定, 采取一定措施后可以超过规范规定的限值。近几 年随着计算分析手段以及材料科学的不断进步, 国内已ຫໍສະໝຸດ Baidu混凝土结构不设缝的长度超过 400m 的 工程。 苏州工业园区科技园科技新天地位于江苏省 苏州工业园区西南角 , 是由苏州工业园区科技发 展有限公司筹建的一座大型公共类高层建筑, 图
结合苏州工业园区科技园科技新天地工程, 对超长地下室混凝土结构进行了分析研究, 介绍的
超长地下室混凝土结构裂缝控制的新措施及具体施工做法 , 对以后类似工程设计能提供一些参考 。 关键词 超长混凝土 , 裂缝控制, 膨胀混凝土
Study of Overlong Basement Design and Crack Control in Construction without Cracks
超长地下室底板和侧板的裂缝形成主要是由
图 3 底板 主要应力图
各种因素带来的收缩应力所导致的。从已建的建 筑物来看, 超长地下室底板的收缩裂缝的分布基 本上呈现这样一种规律: 裂缝垂直于底板的长向, 并且沿长向按一定间距分布。下面就从收缩应力 角度分析超长地下室底板裂缝的成因。 超长地下室底板在温度收缩变形作用下, 混 凝土会产生由两端向中心收缩运动的趋势 , 这一 趋势必然受到地基土的约束, 因此底板混凝土的 全截面将出现拉应力 , 即水平法向应力 x 。从工 程实践可知 , x 是设计主要控制 应力, 是引起混 凝土板内垂直裂缝的主要应力。此外地基土对地 下室底板的这种约束 为沿底板长向 的连续式约 束, 因此从端部向中心, 混凝土截面上的水平法向 应力 x 将由于这种约束的不断积累而越来越大, 因此 , 水平法向应力最大值 中点处, 见图 3。 当 max 超过混凝土的抗拉强度 ( f t ) , 板中部 将出现第一条垂直裂缝; 混凝土板开裂后, 每块板 的水平裂缝将重新分布, 最大应力 每块板的中部, 当 此继续, 直到
x< x max 出现在板截面的
图 4 应力与裂 缝的分布示意图
3
补偿收缩混凝土抗裂基本原理
超长地下室混凝土结构, 若按照传统施工方
法, 每隔 20~ 40m 需设置一条 后浇带, 以解决混 凝土的收缩开裂问题 , 这样就会延长工期, 而且后 浇带的清理、 灌缝非常麻烦, 处理不好常常会成为 渗漏的隐患 ; 此外 , 后浇带不施工完 , 降水就不能 停止 , 这会增加大量的降水费用。苏州工业园区 科技园科技新天地工程中采用了补偿收缩混凝土 技术来实现该工程的地下室无缝设计。下面介绍 补偿收缩混凝土控制裂缝的基本原理。 采用补偿收缩混凝土, 即每隔一定间距设置 一条膨胀加强带 ( 与周围混凝土一起浇 ) , 在加强 带混凝土中掺加一定数量的膨胀剂, 使其产生适 度的膨胀 , 并对其四周混凝土产生压应力, 以膨胀
WANG Gang 1 ZHAO Jianzhong 1 L I Yingquan2
( 1. Suzhou Industr ial Park Design & Research I nstitute Co. , L T D. , Suzhou 215021; 2. China Academy of Building M aterial Research, Beijing 100024)
!工程设计!
! 71 !
结构工程师第 21 卷第 6 期
图7
后浇膨胀加强带示意做法
5
结束语
些有益的参考。
参考文献
如何控制超长混凝土结构的裂缝 , 尤其是超 长地下室 , 一直是设计面临的一个难题。本文结 合苏州工业园区科技园科技新天地地下室工程, 尝试采用了补偿收缩混凝土来进行无缝设计, 该 方法在苏州及周边地区尚属新技术, 希望本工程 的设计及施工技术措施能对将来类似工程提供一 ( 上接第 63 页) 第二阶段 AB, 弹塑性阶段。随着荷载的增加, 首先听到压型钢板和混凝土粘结破坏的声音, 与此 同时, 在剪跨处产生微小的可见裂缝; 继续加载, 沿 长边方向, 压型钢板与混凝土在局部有上下脱开迹 象, 沿短边方向, 压型钢板与混凝土也开始上下脱 开, 裂缝从剪跨处沿板纵向产生, 并且逐渐较均匀 地分布; 纵向滑移显著, 裂缝宽度显著增宽。 第三阶段 BC, 塑性阶 段。粘结 分裂声 音消 失, 纵向滑移不断加大, 裂缝宽度加大、 条数增多, 并且板面产生较大的挠曲 ; 破坏形式表现出延性 的性质; 荷载不增加 , 挠曲不断增大, 承载能力骤 减, 此时试件破坏。 由上述现象可见, 纵向滑移和裂缝开展的情 况几乎一致, 由于该组合板端部焊有栓钉, 使其组 合作用较强, 从而两者协同工作能力也较强。
将出现在
x> f t , 又形成第二批裂缝 , 如
f t, 见图 4。这种裂缝的有序
Structural Engineers Vol. 21, No. 6
! 70 !
St ruct ural Analysis
所产生的压应力来抵消四周混凝土收缩所产生的 拉应力。 膨胀加强带在硬化过程中产生膨胀作用, 在 钢筋或邻位约束下, 钢筋受拉 , 而混凝土受压 , 当 钢筋拉应力与混凝土压应力平衡时 , 则有 A
参考文献
[ 1] 周起敬 , 姜 维山 , 潘泰 华 . 钢与混凝 土组合 结构设 计 施工手册 . 北京 : 中国建筑工业出版社 , 1994 上 海市 标准 . 轻型 钢结 构 设 计规 程 ( DBJ08- 68 97) . 高层民用建筑钢结构技术规程 ( JG J99- 98) . 陈世鸣 . 压 型钢板 - 混凝 土组合楼 板的承 载能力 研 究 . 建筑结 构学报 , 2002; 23( 3) American Society of Civ il Engineers. Standard for the Structural Design of Composite Slabs. New Yor k, 1992
c=
# # # 钢筋拉应力( MPa) ;
A s # # # 钢筋截面积; E s # # # 钢筋弹性模量( M Pa) ; # # # 配筋率 ( % ) ; 2 # # # 混凝土限制膨胀率( 即钢筋伸长率% ) 。 从以上公式可以看出 ,
c 与 2
成正比关系,
而限制膨胀率随膨胀剂的掺量增加而增加, 所以, 可以通过调整膨胀剂的掺量, 可使混凝土获得不 同的预压应力。 根据对超长地下室混凝土结构裂缝成因的分 析而得到的应力曲线 , 可以设想在
图6
膨胀加强带示意做法
( 2) 后浇膨胀加强带。后浇膨胀加强带设置 在主裙楼交接处, 该加强带的设置除了有利于控 制超长混凝土结构由于收缩应力产生的裂缝外, 很大程度上还能缓解主楼与裙房之间差异沉降带
来的不利影响。后浇膨胀加强带带宽 3m, 具体做 法基本与膨胀加强带相同 , 其中留置阶梯缝主要 是为了提高该部位的防水效果以及加强带内与带 外混凝土的结合, 见图 7。
s
新天地超 长地下 室的 设计, 在收缩 应力 集中的 max 处设置膨胀加强带 , 带中采用大膨胀混凝土, 带外采用微膨胀混凝土 ( 通过限制膨胀率控制 ) ; 此外 , 在主裙楼交接处设置后浇膨胀加强带。膨 胀加强带与膨胀后浇带的具体做法如下所述 : ( 1) 膨胀加强带。每隔约 30m 左右设置一道 膨胀加强带, 带宽 2m, 带两侧架设密孔铁丝网, 目 的是防止两侧混凝土流入加强带。带外侧用小膨 胀混凝土 , 到加强带时改用大膨胀混凝土, 到加强 带另一侧时, 又改用小膨胀混凝土。如此循环下 去, 可连续浇筑超长混凝土结构。膨胀加强带的 做法见图 6 。根据试验研究 , 在钢筋混凝土中建 立 0. 25~ 0. 60M Pa 的预压应力可大致抵消混凝 土收缩时产生的拉应力 , 如果混凝土板中配筋率 为 0. 5% ~ 0. 8% , 那 么按公式
第 21 卷第 6 期 2005 年 12 月
结 构 工 程 师 Structural Eng ineers
Vol. 21, No. 6 Dec. 2005
超长地下室结构的无缝设计及施工技术措施
王
提 要
干1
赵建忠1
李应权2
( 1. 苏州工业园区设 计研究院 , 苏州 215021; 2. 中国建筑材料科学 研究院 , 北京 100024)
拉以及混凝土受压性能 , 尽可能使组合板的中和 轴位于二者的交界面上 ; 组合楼板若配置横向钢 筋, 且使横向钢筋与压型钢板点焊连接 , 也可以提 高组合板纵向抗滑移能力 ; 本压型钢板带有压痕, 对提高组合板纵向抗 剪承载力起到 了较好的作 用; 另外, 端部焊栓钉的板的承载能力远大于不带 栓钉的板, 因为压型钢板端部与支座钢板用栓钉 焊为一体, 从而较大地提高了组合板的纵向抗剪 承载力, 对于栓钉的抗剪能力 , 现行规范尚无定量 化的规定 , 有待于进一步研究。
Abstract Based on const ruct ion project of T he New T echnolog y World of SIP Science & T echnolog y Park, t his paper analyses t he st ructural behavior of overlong basement concrete. Some new met hods for cont rolling cracks are described in detail as well. L ast but not least , the desig ners hope t his paper can be used as a reference in designing similar fut ure projects. Keywords overlong concrete, crack cont rolling, bulgy concret e 1 为该建筑效果图。该工程 0. 000 以上从西到
1
概
述
东分别为 A 座研发办公楼 ( 长 88. 5m, 宽 17. 8m, 高 88m ) 、 B 座商 业 配套 服务 楼 ( 长 155. 3m , 宽 30. 4m, 高 23m ) 、 C 座 人 才公 寓 ( 长 99. 3m, 宽 18. 7m, 高 90m) , 三栋楼在结构上以抗震缝分开。 0. 000 以下设有二层人防地 下室, 地下室平时 主要作为 停车库 使用 及设备 用房, 地下 室长约 260m, 宽约 120m, 总面积约为 4. 4 万 m 2 , 整个地 下室不设永久性缝, 图 2 为地下室平面布置图。
c c=
适宜的补偿, 从而控制有序裂缝的出现。
A s s= A sE s =
2
图5
膨胀应力
c
与收缩应力
max 示意图
而配筋率 ∀ 则 式中
c#
As A c+ A s
4
无缝设计及施工措施
通过以上的分析 , 苏州工业园区科技园科技
As A c = 1E s 2 / ( 1- ) c= # # 混凝土预压应力 ( MPa) ; A c # # # 混凝土截面积 ;
图 1 建 筑效果图
!工程设计!
! 69 !
结构工程师第 21 卷第 6 期
图 2 地下室平面 图
本文结合该工程对超长混凝土结构裂缝控制 进行分析研究, 并全面介绍该工程超长混凝土无 缝设计及施工处理方法 , 希望对以后类似工程的 设计提供一些参考。
排列经常在工程中见到。
2
超长地下室混凝土裂缝成因分析
m ax 处给予较
E s 2 / ( 1-
大的 膨胀应力 c, 而 在两侧给 予较小的 膨胀应 力, 见图 5, 以便混凝土结构的收缩应力得到大小
) 计 算 混 凝土 限 制 膨 胀 率 约为 0. 025% ~ 0. 035% 。此外, 考虑到膨胀加强带位置是混凝土收 缩应力最大的地方 , 设计在加强带部位另加了补 偿钢筋。
近年来 , 我国各种大型公共建筑的建设得到 了快速发展 , 建筑师以及建设方对不设缝的混凝 土结构的长度要求越来越高, 尤其是对于地下室 结构 , 由于存在防水问题 , 要求地下室不设缝的呼 声越来越高。 英、 美、 法、 日等国的混凝土结构设计规范对 伸缩缝间距无严格规定 , 只要求超过一定长度后 计算温度引起的应力并采取必要的措施。但是, 我国规范 ( GB 50010- 2002) 规定了 伸缩缝的最 大间距( 不同结构形式的间距也不同) , 同时规定, 采取一定措施后可以超过规范规定的限值。近几 年随着计算分析手段以及材料科学的不断进步, 国内已ຫໍສະໝຸດ Baidu混凝土结构不设缝的长度超过 400m 的 工程。 苏州工业园区科技园科技新天地位于江苏省 苏州工业园区西南角 , 是由苏州工业园区科技发 展有限公司筹建的一座大型公共类高层建筑, 图
结合苏州工业园区科技园科技新天地工程, 对超长地下室混凝土结构进行了分析研究, 介绍的
超长地下室混凝土结构裂缝控制的新措施及具体施工做法 , 对以后类似工程设计能提供一些参考 。 关键词 超长混凝土 , 裂缝控制, 膨胀混凝土
Study of Overlong Basement Design and Crack Control in Construction without Cracks
超长地下室底板和侧板的裂缝形成主要是由
图 3 底板 主要应力图
各种因素带来的收缩应力所导致的。从已建的建 筑物来看, 超长地下室底板的收缩裂缝的分布基 本上呈现这样一种规律: 裂缝垂直于底板的长向, 并且沿长向按一定间距分布。下面就从收缩应力 角度分析超长地下室底板裂缝的成因。 超长地下室底板在温度收缩变形作用下, 混 凝土会产生由两端向中心收缩运动的趋势 , 这一 趋势必然受到地基土的约束, 因此底板混凝土的 全截面将出现拉应力 , 即水平法向应力 x 。从工 程实践可知 , x 是设计主要控制 应力, 是引起混 凝土板内垂直裂缝的主要应力。此外地基土对地 下室底板的这种约束 为沿底板长向 的连续式约 束, 因此从端部向中心, 混凝土截面上的水平法向 应力 x 将由于这种约束的不断积累而越来越大, 因此 , 水平法向应力最大值 中点处, 见图 3。 当 max 超过混凝土的抗拉强度 ( f t ) , 板中部 将出现第一条垂直裂缝; 混凝土板开裂后, 每块板 的水平裂缝将重新分布, 最大应力 每块板的中部, 当 此继续, 直到
x< x max 出现在板截面的
图 4 应力与裂 缝的分布示意图
3
补偿收缩混凝土抗裂基本原理
超长地下室混凝土结构, 若按照传统施工方
法, 每隔 20~ 40m 需设置一条 后浇带, 以解决混 凝土的收缩开裂问题 , 这样就会延长工期, 而且后 浇带的清理、 灌缝非常麻烦, 处理不好常常会成为 渗漏的隐患 ; 此外 , 后浇带不施工完 , 降水就不能 停止 , 这会增加大量的降水费用。苏州工业园区 科技园科技新天地工程中采用了补偿收缩混凝土 技术来实现该工程的地下室无缝设计。下面介绍 补偿收缩混凝土控制裂缝的基本原理。 采用补偿收缩混凝土, 即每隔一定间距设置 一条膨胀加强带 ( 与周围混凝土一起浇 ) , 在加强 带混凝土中掺加一定数量的膨胀剂, 使其产生适 度的膨胀 , 并对其四周混凝土产生压应力, 以膨胀
WANG Gang 1 ZHAO Jianzhong 1 L I Yingquan2
( 1. Suzhou Industr ial Park Design & Research I nstitute Co. , L T D. , Suzhou 215021; 2. China Academy of Building M aterial Research, Beijing 100024)
!工程设计!
! 71 !
结构工程师第 21 卷第 6 期
图7
后浇膨胀加强带示意做法
5
结束语
些有益的参考。
参考文献
如何控制超长混凝土结构的裂缝 , 尤其是超 长地下室 , 一直是设计面临的一个难题。本文结 合苏州工业园区科技园科技新天地地下室工程, 尝试采用了补偿收缩混凝土来进行无缝设计, 该 方法在苏州及周边地区尚属新技术, 希望本工程 的设计及施工技术措施能对将来类似工程提供一 ( 上接第 63 页) 第二阶段 AB, 弹塑性阶段。随着荷载的增加, 首先听到压型钢板和混凝土粘结破坏的声音, 与此 同时, 在剪跨处产生微小的可见裂缝; 继续加载, 沿 长边方向, 压型钢板与混凝土在局部有上下脱开迹 象, 沿短边方向, 压型钢板与混凝土也开始上下脱 开, 裂缝从剪跨处沿板纵向产生, 并且逐渐较均匀 地分布; 纵向滑移显著, 裂缝宽度显著增宽。 第三阶段 BC, 塑性阶 段。粘结 分裂声 音消 失, 纵向滑移不断加大, 裂缝宽度加大、 条数增多, 并且板面产生较大的挠曲 ; 破坏形式表现出延性 的性质; 荷载不增加 , 挠曲不断增大, 承载能力骤 减, 此时试件破坏。 由上述现象可见, 纵向滑移和裂缝开展的情 况几乎一致, 由于该组合板端部焊有栓钉, 使其组 合作用较强, 从而两者协同工作能力也较强。
将出现在
x> f t , 又形成第二批裂缝 , 如
f t, 见图 4。这种裂缝的有序
Structural Engineers Vol. 21, No. 6
! 70 !
St ruct ural Analysis
所产生的压应力来抵消四周混凝土收缩所产生的 拉应力。 膨胀加强带在硬化过程中产生膨胀作用, 在 钢筋或邻位约束下, 钢筋受拉 , 而混凝土受压 , 当 钢筋拉应力与混凝土压应力平衡时 , 则有 A
参考文献
[ 1] 周起敬 , 姜 维山 , 潘泰 华 . 钢与混凝 土组合 结构设 计 施工手册 . 北京 : 中国建筑工业出版社 , 1994 上 海市 标准 . 轻型 钢结 构 设 计规 程 ( DBJ08- 68 97) . 高层民用建筑钢结构技术规程 ( JG J99- 98) . 陈世鸣 . 压 型钢板 - 混凝 土组合楼 板的承 载能力 研 究 . 建筑结 构学报 , 2002; 23( 3) American Society of Civ il Engineers. Standard for the Structural Design of Composite Slabs. New Yor k, 1992