地下超长结构无缝设计实例

地下超长结构无缝设计实例

摘要结合地超长建筑下室结构设计，介绍了超长地下室混凝土结构裂缝控制的一些有效的设计及施工关键注意事项。实践证明方案合理、经济，措施得当，大大地缩短了施工工期，为类似工程的设计提供参考。

关键词无缝设计裂缝控制

1 概述

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,更是希望不要设缝。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,国内已有混凝土结构400m长不设缝的工程实例。

工程位于广州番禺区，为某房地产公司开发的大型住宅小区。工程地下室部分建筑面积约12000m2，地下室长173.2m，宽106.2m，底板厚350mm，混凝土强度等级为C30P8；外墙厚300，混凝土强度等级亦为C30P8。整个地下室不设永久性变形缝，地下室结构平面见图一。

图一地下室结构平面图

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。

2 超长地下室混凝土裂缝成因分析

超长混凝土结构地下室底板和侧墙的裂缝形成是由各种影响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产生的机理。超长地下室底板在收缩变形作用下, 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σx。从工程实践可知,σx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σx将由于这种约束的不断积累而越来越大, 水平法向应力最大值σmax出现在板截面的中点处, 如图二所示。当σmax超过混凝土的抗拉强度( f t )时, 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σ′x 将出现在每块板的中部, 当σ′x > f t , 又形成第二批裂缝, 如此继续, 直到σ′x < f t止，详见图三。这种裂缝的有序排列经常在工程中见到。

图二底板主要应力图

图三应力-裂缝分布示意图

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及即是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。

膨胀加强带在混凝土硬化过程中产生膨胀作用，由于四周受基础及相邻构件约束，钢

筋受拉，混凝土受压，达到应力平衡。

由平衡条件得到如下方程：

s s c c A A σσ⨯=⨯

其中 2εσ⨯=s s E

又配筋率 c

s s A A A +=μ 则有 )1/(2μεμσ-=s c E

式中σc ———混凝土预压应力(MPa) ;

A c ———混凝土截面积;

σs ———钢筋拉应力(MPa) ;

A s ———钢筋截面积;

E s ———钢筋弹性模量(MPa) ;

μ———配筋率( %) ;

ε2 ———混凝土限制膨胀率(即钢筋伸长率%) 。

从以上公式可以看出,σc 与ε2 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, 使混凝土获得不同的预压应力。

根据以上分析，对超长混凝土结构的裂缝控制可以通过对最大应力处给以相应的大的膨胀压应力与之对应，以便混凝土收缩应力得到相应补偿。

4 无缝设计及施工措施

通过以上的分析,番禺奥林匹克花园超长地下室的设计, 在收缩应力集中的σmax 处设置膨胀加强带, 带内采用大膨胀混凝土, 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, 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四 。根据试验研究, 在钢筋混凝土中建立0. 25～0. 60MPa 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σc = μE s ε2/ (1 -μ) 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。

图四加强带大样图

（2）施工措施。根据本工程实际特点，在不影响施工质量的前提下尽量缩短施工周期，制定如下施工方案：

○1用膨胀加强带将建筑物分为11个大的区格，间距不大于40米，膨胀加强带宽2米，用钢板网分隔，施工时连续浇筑，区分HEA掺量。外墙同顶板及底板一样，也设置膨胀加强带。

○2材料选用和控制。工程实践表明，混凝土膨胀率应大于0.025%，膨胀加强带则应大于0.035%，设计时两者的HEA掺量宜分别为10~12%和12~15%，但应通过试验确定混凝土最优配合比。

○3构造措施。对于地库外墙，由于受到底板的较大约束，造成约束力上小下大，为平衡收缩应力，将原φ14@150 和φ16@150水平钢筋分别加密至φ12@100和φ14@100；在地库围墙与柱子相连部位，由于两者截面和配筋率相差大，往往在相连部位产生较大的应力集中而导致开裂。为使应力分散，在此处增加水平构造筋φ10@150，长1500，分别插入柱子和墙体200 和1300。对于地库梁板，在电梯井各区的9 个端部、楼梯口等部位配置放射状钢筋，以避免四角45度斜裂缝的出现，但采取上述措施后结构最小配筋率仍基本维持原设计值0.5%，故未引起费用增加。

○4施工时的质量保证措施。为利于大体积混凝土的保温，该工程采用木模板并在混凝土终凝前做二次收光抹面，以避免出现表面裂缝。地库外墙混凝土采取分层浇筑方式，每层高度500，呈阶梯式逐层推进，盖板混凝土浇筑采用“一个坡度、循序渐进、一次到顶”的连续浇筑方法。混凝土养护时在顶板满铺麻袋，浇水至饱和状态，再用塑料薄膜覆盖，至少保持薄膜内凝结水14天以上。梁板下方布置喷淋水管进行浇水养护，地库外墙浇筑完毕，1天后可松动模板支撑螺栓，并从上部不断浇水。由于混凝土最高温升在3天龄期前后，为减少其内外温差应力，减缓其因水分蒸发而产生的干缩应力，墙体应至少在7天后方可拆除模板，然后继续浇水养护14天以上。地库顶板混凝土的养护必须在二次抹面完成后及时进行，每完成一部分就及时进行养护。

5 结束语

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。本文结合广州番禺奥林匹克花园地下室工程, 采用了补偿收缩混凝土进行无缝设计, 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些有益的参考。

参考文献

[1 ] 王铁梦. 工程结构裂缝控制. 北京:中国建筑工业出版社,1997

[2 ] 混凝土结构设计规范( GB50010 —2002) . 北京:中国建筑工业出版社,2002