四川省建筑设计研究院有限公司
摘要：以瞪羚谷公园2号地块项目为背景，采用有限元软件对超长地下室结构进行受力分析，并针对性地提出措施。研究结果表明：混凝土前期收缩应变发展较快，50%的收缩应变将在混凝土结构中产生应力，收缩应变数值为2.0×10-4；降温在混凝土楼盖内产生拉应力，为控制作用，升温在混凝土楼盖内产生压应力，为非控制作用，经计算温度作用采用的等效当量温差为-7.5℃（降温）；温差作用下超长地下室结构一般均在2.0MPa以内，主楼与地下室交界的凸出转角处的楼板拉应力达到2.5~3.5MPa，综合分析结构措施设计从结构配筋设计、构造措施、施工措施三方面给予考虑。
关键词：温差应力；超长地下室；无缝设计
Research on Engineering Characteristics and Reinforcement Measures of Soft Soil Foundation in Coastal Area
Lai Yan
Sichuan Architectural Design and Research Institute Co., Ltd.
Abstract：Based on the project of Gazelle Valley Park Block 2, the finite element analyse is used to the force of the super-long basement structure, and the measures were proposed. The research indicates that the initial shrinkage strain of concrete develops rapidly, 50% of the shrinkage strain will produce stress in the concrete structure, and the shrinkage strain value is 2.0×10-4. The temperature drop produces tensile stress in the concrete floor, and the temperature rise produces compressive stress, The temperature drop is the control function and The equivalent temperature effect is -7.5℃. The super -long basement structure stress is generally within 2.0MPa, it reaches between 2.5 and 3.5MPa in the corner at the junction of the building and the basement, The structural measures is designed from the structural design and construction measures.
Keywords：Thermal stress, Super-long basement, Seamless design
1引言
随着我国经济水平提高、城市化进程加快，各种大型的地下室结构如地铁、地下停车库和地下商场等都在不断涌现[1]。随着地下室结构平面尺寸的增加，混凝土收缩以及环境温差等间接作用对地下室结构的影响会逐渐增大，由此产生的结构裂缝会越来越多，严重影响地下室结构的正常使用及结构的耐久性。裂缝控制是超长地下室结构经济、安全、可靠的重要保证。不均匀分布的温度应力是影响裂缝的重要原因。
许多学者[1-4]针对温度效应，从建筑物的整体温度场的有效建立，温度应力作用区域确定和防止温度应力作用引起的结构变形和产生有害裂缝的各项保障技术措施的实施。范重等[2]采用有限元分析对唐山国际会展中心进行设计计算，考虑了混凝土收缩应力和温度应力对结构的影响。王国林等[3]探讨了超长混凝土结构非预应力后浇带的可行性。王奇[4]等在东营国际会展中心超长结构设计中，通过设计构造措施，减小了温度作用和收缩变形对钢筋混凝土结构的不利影响。陈平友[5]针对成都双流国际机场T2航站楼超长预应力结构，采用后浇带结构，控制混凝土的总收缩应变和后浇带施工完成后的收缩应变分别不大于4×10-4和1.6×10-4。
本文以瞪羚谷公园2号地块项目为背景，采用有限元计算方法对超长地下室结构的受力进行分析，并从结构设计、构造设计、施工方面提出先关措施。
2工程概况及地质概况
2.1工程概况
以瞪羚谷公园2号地块项目为背景，该项目位于成都市高新区剑南大道西侧，南临盛兴街，北靠锦城，湖公园和绕城高速，由3幢多层科研用房和1层地下室组成，其中3幢多层科研用房地上5层，高度为22.3m，采用钢筋混凝土框架结构，局部大跨处采用采用钢梁+型钢混凝土柱的形式。
各主楼共用地下室，使用功能为车库、设备用房及人防。结构为地下1层，层高4.05m，采用钢筋混凝土框架结构，覆土分界线1右侧覆土厚度为1.0m，覆土分界线2左侧覆土厚度为1.4m，两条分界线之间覆土厚度由1.0m逐渐过渡到1.4m；主楼与地下室顶板高差为1.55m，地下室平面图如图1所示。
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图1地下室平面图
2.2工程地质概况
场地上覆第四系人工填土（Q4ml），其下由第四系上更新统河流冲洪积（Q3al+pl）成因的粉质粘土、粉土、砂土及卵石组成，下伏白垩系灌口组（K2g）泥岩，各地层参数见表1。
2.2结构尺寸及材料参数
地下室各部位尺寸及材料参数见表2。
表1固结试验参数表
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表2结构尺寸及材料参数表
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3超长地下室设计方案
3.1无缝设计方案
地下室平面最大尺寸约为442.8m×245.8m，采用无缝设计。基础底板、侧墙、人防墙、地下室顶板（梁）需满足超长结构设计的各项要求。顶板、侧墙、底板处，每30～40m设一道温度后浇带，沿长度方向共设置12~13道，沿宽度方向共设置8道，后浇带宽度800mm。后浇带采用C35/C40补偿收缩混凝土浇筑，应在两侧混凝土浇筑完成3个月后封闭。
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图2地下室顶板结构平面布置图
3.2温差取值及温度作用计算
本工程地下室为全埋地下室，顶板最小覆土厚度为1.0m，结合地区经验，温差可适当折减，折减系数取0.5。地区自然气候条件（结构温度场）、结构合龙温度区间及环境温度变化引起的工程升降温度作用工况汇总如表3所示。
表3工程升降温度作用工况
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3.3考虑收缩、徐变及开裂刚度折减后的混凝土结构当量温差
3.3.1混凝土收缩徐变分析
根据《混凝土结构设计规范》（GB50010－2010）[6]，混凝土不同龄期的收缩应变值见表4，不同后浇带封闭时间的混凝土收缩和温度变化徐变系数见表5。结合工程所在地经验，平均相对湿度为77%，混凝土的最终总收缩应变值为4.0×10-4。
表4混凝土不同龄期的收缩应变表
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表5混凝土收缩和温度变化徐变系数表
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根据表4，混凝土前期收缩应变发展较快，90d龄期混凝土的收缩应变约为48.2%的极限收缩应变；同时后浇带应在两侧混凝土浇筑完成3个月后施工，因此仅50%的收缩应变将在混凝土结构中产生应力，收缩应变数值为2.0×10-4。
混凝土的徐变特性有利于结构的应力重分布，使混凝土应力产生松弛，从而减小混凝土收缩变形产生的拉应力。后浇带浇筑之前，温度下降使混凝土向分块结构单元中心区域收缩，混凝土中温度作用拉应力的大小就取决于后浇带浇筑时的温度与楼板受大气影响的结构温度之间的差值。
根据表5，取后浇带在浇筑完成3个月后封闭的收缩徐变系数1.54，则由于徐变而引起的应力折减系数为0.3937；后浇带在浇筑完成3个月后封闭的温度变化徐变系数1.03。
3.3.2等效温差计算
综上分析，地下室顶板采用C30混凝土，初始弹性模量3.00×104MPa。故混凝土中由于收缩产生的拉应力为2.0×10-4×3.00×104×0.3937= 2.36MPa。根据上文温度变化情况，分别对降温工况与升温工况的等效温差进行计算。
（1）降温工况
室内构件降温温度-6.0℃，混凝土线膨胀系数1×10-5，则降温引起的混凝土的拉应力为：6.0×1×10-5×3.00×104/(1+1.03)=0.87MPa
本工程普通混凝土梁板裂缝控制等级为三级，允许梁开裂。考虑框架的开裂刚度为未开裂刚度的0.7倍。因混凝土收缩和降温引起的综合拉应力为：0.7×(2.36+0.87)=2.261MPa。
因此，室内混凝土结构由于混凝土收缩和温度降低在楼盖内产生拉应力的等效当量温差为：-2.261/(3.00×104×1.0×10-5)=-7.5℃。
（2）升温工况
升温情况下混凝土楼板及梁为压应力，一般不会造成不良影响，但应充分考虑对柱的不利影响。室内构件升温温度15.5℃，引起的混凝土的压应力为：15.5×1×10-5×3.00×104/(1+1.54)=1.83MPa。
升温在混凝土楼盖内产生压应力，混凝土不会开裂，混凝土中由收缩和升温引起的综合应力为：1.83-2.0=-0.17MPa。
因此，室内混凝土结构由于混凝土收缩和升温在楼盖内产生压应力的等效当量温差为：-0.17/(3.00×104×1.0×10-5)=-0.57℃，等效当量温差为降温,不起控制作用。
综上，计算温度作用采用的等效当量温差为-7.5℃（降温）。
3.4温度作用效应以及构件设计
本次计算软件采用盈建科YJK对项目地下室进行受力分析，施加等效温差为-7.6℃的温度作用，顶板X向应力云图如图3所示，Y向应力云图如图4所示。
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图3地下室顶板结构X方向应力云图
根据图3与图4，温差作用下，地下室顶板X方向产生的拉应力大都在2.0MPa以内，主楼与地下室交界的凸出转角处、挡土墙凹进位置的楼板拉应力达到2.5~3.5MPa，楼板最大的拉应力发生在图中所示的红线线框内。地下室顶板Y方向产生的拉应力绝大部分都在2.0MPa以内，主楼与地下室交界的凸出转角处、挡土墙凹进位置的楼板拉应力达到2.0~2.5MPa。
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图4地下室顶板结构Y方向应力云图
4.超长地下室结构措施设计研究
综合上述研究分析，温差作用下超长地下室结构应对措施主要从结构配筋设计、结构构造措施、施工措施三方面进行考虑。
4.1结构设计
地下室顶板配筋根据温度应力并考虑裂缝计算取值，温度应力较大的位置采用附加钢筋来抵抗温度拉应力，顶板结构X方向、Y方向的配筋设计见表6。
表6地下室结构顶板配筋设计
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4.2构造措施
温差作用下超长地下室结构构造措施主要如下：
（1）地下室顶板梁腹板高度范围内每侧面纵向钢筋配筋率均应大于0.20%，间距不宜大于150mm，且均按照受扭腰筋的锚固加强。
（2）地下室外墙和人防墙水平钢筋根据温度应力并考虑裂缝配置，水平钢筋布置在竖向钢筋的外侧，且最低不小于φ12@100。
（3）地下室底板配筋构造加强，考虑到超长因素，采用双层双向通长配筋φ14@125。
（4）地下室顶板板面和板底钢筋均按受拉锚固。
4.3施工措施
温差作用下超长地下室结构施工措施主要如下：
（1）施工时应编制专项施工方案，除满足国家现行有关标准及相关规定要求外，尚应包括地下室周边水位观测、施工降(排)水、混凝土浇筑及养护、施工缝及后浇带处理、主要构件的裂缝及变形观测等相关内容，应有专门有效的质量控制措施。
（2）施工时，应与建筑材料研究专业机构针对补偿收缩混凝土配合比和性能指标进行研究并预配，为工程使用提供配合比方案。
（3）采取合理的施工工序，混凝土浇筑时应低温入模，控制混凝土的浇筑入模温度不大于20℃。浇筑后应立即抹平压实，接近初凝时应二次压实抹面收光。混凝土浇筑后，应采取养护保湿的具体措施，必要时储水养护。
（4）加强养护时间，养护时间一般部位不得少于14天，后浇带部位不得少于21天。
（5）高温季节施工，应采取措施缓凝，宜采用遮盖、洒水、拌冰屑等降低混凝土原材料温度的措施。
5结论
通过对瞪羚谷公园2号地块项目地下室结构温差作用下受力分析，得到如下结论：
（1）混凝土前期收缩应变发展较快，3个月龄期混凝土的收缩应变约为48.2%的极限收缩应变，50%的收缩应变将在混凝土结构中产生应力，收缩应变数值为2.0×10-4。
（2）降在混凝土楼盖内产生拉应力，为控制作用，升温在混凝土楼盖内产生压应力，为非控制作用，经计算温度作用采用的等效当量温差为-7.5℃（降温）。
（3）温差作用下超长地下室结构一般均在2.0MPa以内，主楼与地下室交界的凸出转角处、挡土墙凹进位置的楼板拉应力达到2.5~3.5MPa，综合分析结构措施设计从结构配筋设计、构造措施、施工措施三方面给予考虑。
参考文献(References)
[1]汤小平.超长混凝土地下室裂缝控制研究[D].南京：东南大学，2008.
[2]范重,王大庆,唐杰.唐山国际会展中心超长大跨度预应力结构设计[J],建筑结构,2006,V36(1):56—63.
[3]王国林,孟少平.超长预应力混凝土结构后浇带设计新方法[J],建筑技术,2008,V39(12):947-950.
[4]王奇,张守峰,朱炳寅.东营会展中心展馆超长结构设计[J],建筑结构,2009,39(7):9—12.
[5]陈平友,肖克艰,陈志强等.成都双流国际机场T2航站楼超长结构中预应力的应用[J],建筑结构,2010(9).
[6]中华人民共和国住房和城乡建设部,混凝土结构设计规范（GB500 10-2010）（2015年版）[S],北京:中国建筑工业出版社，2011.
作者简介
赖燕(1987-)，女，四川简阳人，学士，工程师，主要从事房建设计等相关工作。E-mail：188439101@qq.com