地下室底板取消沉降后澆帶的技術(shù)分析與應(yīng)用

范榮輝 李鑫奎 譚英輝

1. 上海建工七建集團(tuán)有限公司 上海 200050；2. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

通常，由于主樓和裙房或者主樓與主樓之間的荷載和剛度有較大差異，導(dǎo)致基礎(chǔ)的內(nèi)力和基底的反力產(chǎn)生較大變化，進(jìn)而引起基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，造成底板開裂漏水甚至出現(xiàn)更嚴(yán)重的后果。為解決上述問題，在設(shè)計(jì)與施工中會(huì)在主樓與裙房或主樓與主樓之間設(shè)置沉降后澆帶。但是，留設(shè)的后澆帶施工涉及到后期施工的二次作業(yè)，給工程質(zhì)量、進(jìn)度、安全等帶來很多不利的影響并造成施工成本的增加[1-2]。解決后澆帶問題最徹底的辦法就是在滿足各方面條件的前提下取消后澆帶[3]，這在上海董家渡金融城工程項(xiàng)目中進(jìn)行了成功的應(yīng)用，并取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程實(shí)例計(jì)算分析

1.1 工程概況

上海董家渡金融城工程項(xiàng)目311B-03地塊（A地塊），東鄰中山南路，南貼東江陰街，北近王家碼頭路，西靠外倉橋街南倉街，占地總面積為167 510 m2，總建筑面積約1 137 000 m2。

董家渡路將基地分為南北2個(gè)地塊（圖1），本次項(xiàng)目為二標(biāo)段的A地塊，含2座塔樓A1、A2。A1樓為14層＋屋頂（標(biāo)高74.2 m），A2樓為9層＋屋頂（標(biāo)高50.5 m）。地下室均為3層（19 m）。A1核心區(qū)底板厚度1.5 m，A2核心區(qū)底板厚度1.3 m，其余區(qū)域底板厚度1.0 m。沉降后澆帶寬為1 000 mm（圖2）。

圖1 董家渡項(xiàng)目地塊分布

1.2 計(jì)算目的及方法

圖2 項(xiàng)目沉降后澆帶底板基礎(chǔ)

對(duì)比分析設(shè)置后澆帶、取消后澆帶2種混凝土澆筑方法的區(qū)別，同時(shí)考慮在基礎(chǔ)底板混凝土收縮徐變及結(jié)構(gòu)自重影響下，采用有限元方法分析對(duì)比2種澆筑方法在不同的施工過程中對(duì)基礎(chǔ)底板沉降變形及結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響程度。

采用有限元方法對(duì)A1施工至14層、A2施工至9層后基礎(chǔ)沉降施工過程進(jìn)行仿真分析，計(jì)算時(shí)采用土基床系數(shù)反算方法。先依據(jù)設(shè)計(jì)院提供的土質(zhì)勘察數(shù)據(jù)及變形情況，通過荷載與變形的關(guān)系反算出土彈簧系數(shù)K值（約6 500 kN/m3），再通過該K值模擬分析設(shè)置后澆帶與設(shè)置施工縫2種情況下施工過程中的結(jié)構(gòu)受力、底板沉降變形情況。

1.3 計(jì)算假定及計(jì)算工況

1）混凝土材料收縮函數(shù)、徐變函數(shù)、彈性模量、抗拉強(qiáng)度隨齡期變化規(guī)律按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取用。

2）基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)按照設(shè)置后澆帶和取消后澆帶（改施工縫），根據(jù)分塊澆筑方案設(shè)置不同的施工工況。

3）不考慮混凝土水化熱溫升作用。

4）板梁結(jié)構(gòu)施工時(shí)，柱已達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，不考慮柱收縮及徐變因素。

5）忽略樓梯以及樓板洞口影響。

6）忽略鋼筋對(duì)提高混凝土極限拉伸的影響。

1.4 后澆帶設(shè)置及施工縫劃分

針對(duì)設(shè)置后澆帶和施工縫2種情況，考慮混凝土的收縮徐變和結(jié)構(gòu)自重影響，計(jì)算上部結(jié)構(gòu)封頂后底板混凝土應(yīng)力情況。計(jì)算時(shí)考慮后澆帶封閉時(shí)間為60 d，采用施工縫情況下每塊底板間隔12 d澆筑。后澆帶設(shè)置布置及施工縫劃分如圖3、圖4所示。

1.5 計(jì)算模型

利用Midas Gen軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)（梁、板、柱、基礎(chǔ)底板）進(jìn)行建模（圖5）。

1.5.1 材料屬性

根據(jù)計(jì)算假定，不考慮柱的收縮、徐變及其強(qiáng)度變化特性，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，上部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件混凝土材料等級(jí)在C30～C60之間不等。其中基礎(chǔ)底板混凝土為C35P8，后澆帶施工提高一個(gè)等級(jí)混凝土，計(jì)算取C40微膨脹混凝土。采用歐洲規(guī)范（1990CEB-FIP模式規(guī)范）混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展函數(shù)來模擬混凝土抗壓強(qiáng)度，混凝土收縮應(yīng)變曲線亦采用1990CEB-FIP模式規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。

圖3 后澆帶設(shè)置布置

圖4 施工縫劃分布置

圖5 整體有限元模型

1.5.2 單元屬性

結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型共計(jì)10 672個(gè)節(jié)點(diǎn)、20 739個(gè)單元，其中梁單元10 250個(gè)，板單元6 249個(gè)，實(shí)體單元4 240個(gè)。梁、柱采用梁單元模擬，樓板、剪力墻采用板單元模擬，基礎(chǔ)底板采用實(shí)體單元模擬。

1.5.3 荷載邊界情況

考慮結(jié)構(gòu)自重、基礎(chǔ)底板混凝土收縮、徐變的影響，不考慮混凝土水化熱溫升作用?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)周圍約束x、y，允許豎向z變形，通過設(shè)置土彈簧單元來模擬結(jié)構(gòu)沉降變形。

1.6 模型試算及沉降設(shè)計(jì)值對(duì)比

有限元計(jì)算采用土基床系數(shù)反算方法。試算A1施工至14層后結(jié)構(gòu)底板變形（A1樓結(jié)構(gòu)核心最大變形32.4 mm，A2樓結(jié)構(gòu)核心最大變形22.6 mm），與設(shè)計(jì)所提供的該施工工況的沉降變形情況（A1沉降最值27 mm，A2沉降最值23 mm）較為接近，驗(yàn)證了本有限元模型反算的正確性。

然后以正確的模型在各種施工階段分析模擬設(shè)置沉降后澆帶與取消沉降后澆帶（采用施工縫）2種不同澆筑方案對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力與基礎(chǔ)沉降變形等的影響情況（圖6）。

1.7 設(shè)置后澆帶/施工縫的混凝土澆筑分塊方案

根據(jù)董家渡項(xiàng)目A地塊設(shè)置后澆帶和取消后澆帶（采用施工縫）的混凝土澆筑分塊方案，在同時(shí)考慮基礎(chǔ)底板混凝土的收縮徐變作用、結(jié)構(gòu)自重等因素下對(duì)7種施工工況進(jìn)行沉降計(jì)算分析。由于有限元邊界約束較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)邊緣處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力值可能會(huì)出現(xiàn)較大的數(shù)值，此數(shù)據(jù)不作整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)判分析，即數(shù)據(jù)分析時(shí)不考慮邊界處畸形應(yīng)力值。

圖6 最后施工階段完成時(shí)整體結(jié)構(gòu)沉降變形及基礎(chǔ)底板沉降變形

1.7.1 設(shè)置后澆帶施工工況計(jì)算分析

在設(shè)置沉降后澆帶下分塊澆筑基礎(chǔ)底板混凝土，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重、收縮徐變等影響，在不同施工工況下對(duì)基礎(chǔ)底板、后澆帶等結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力進(jìn)行分析（圖7～圖9）。

圖7 設(shè)置后澆帶澆筑方案A1/A2主樓施工完成底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖8 A1/A2主樓施工完成后澆帶應(yīng)力

由圖可知，A1、A2主樓全部梁板柱結(jié)構(gòu)施工封頂完成時(shí)，基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為1.74 MPa，此時(shí)后澆帶最大拉應(yīng)力值為0.93 MPa，后澆帶結(jié)構(gòu)兩側(cè)z向變形最大值11 mm，兩側(cè)變形差值最大為2.54 mm，基本可認(rèn)為是同步沉降變形。

1.7.2 設(shè)置施工縫施工工況計(jì)算分析

在不設(shè)置沉降后澆帶（采用施工縫）下分塊澆筑基礎(chǔ)底板混凝土，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重、收縮徐變等影響，在不同的施工工況下對(duì)基礎(chǔ)底板、后澆帶等結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力進(jìn)行分析（圖10）。由圖可知，A1、A2主樓全部梁板柱結(jié)構(gòu)施工封頂完成時(shí)，基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為2.06 MPa。

1.7.3 2種澆筑方案的混凝土受力對(duì)比

通過有限元方法對(duì)設(shè)置后澆帶和采用施工縫2種混凝土澆筑方案進(jìn)行仿真模擬，分析其對(duì)基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力、沉降變形的差異對(duì)比，將各施工工況下基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值匯總到表1。

圖9 A1/A2主樓施工完成后澆帶變形

圖10 采用施工縫澆筑方案A1/A2 主樓施工完成底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

表1 2種澆筑方案下各施工階段基礎(chǔ)底板應(yīng)力最值（單位：MPa）

由表1可知，通過有限元理論計(jì)算分析，在同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重、混凝土收縮徐變的影響下，設(shè)置沉降后澆帶對(duì)基礎(chǔ)底板產(chǎn)生的拉應(yīng)力最值要比不設(shè)置沉降后澆帶（采用施工縫施工）小，兩者最值相差約10%，由于是理論計(jì)算分析，在忽略一些諸如混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋對(duì)抵抗裂縫有利影響的前提下，本報(bào)告計(jì)算出的基礎(chǔ)底板拉應(yīng)力最值是有些偏大的。因此，通過計(jì)算數(shù)據(jù)定性對(duì)比分析設(shè)置沉降后澆帶和改施工縫2種澆筑方案下的基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化幅度趨勢(shì)，能說明本工程如果不設(shè)置后澆帶而改用施工縫澆筑基礎(chǔ)底板也是可行的。

1.7.4 B3/F1跨間結(jié)構(gòu)沉降變形分析

在設(shè)置施工縫條件下，通過有限元計(jì)算，得出A1/A2主樓結(jié)構(gòu)封頂施工后B3柱底、F1柱底跨間結(jié)構(gòu)沉降變形數(shù)據(jù)（圖11～圖13）。

圖11 A1/A2主樓結(jié)構(gòu)封頂施工后B3柱底跨間沉降變形

由圖可知，對(duì)于地下B3層柱底跨間沉降變形情況，施工單位計(jì)算底板最大沉降A(chǔ)1處為32.4 mm，A2處為22.6 mm；A1/A2核心筒四角沉降值小于各邊中間沉降值，差值為2 mm，較設(shè)計(jì)院計(jì)算值小；A1塔樓四周與核心筒沉降差值為9 mm，與設(shè)計(jì)院11 mm相近；A2塔樓四周與核心筒沉降差值為7 mm，與設(shè)計(jì)院9 mm相近；A1塔樓四周沉降值存在偏差，外側(cè)大于內(nèi)側(cè)；A2塔樓四周沉降值相差不大，較為均勻。與設(shè)計(jì)院計(jì)算結(jié)果不同之處在于，裙房底板設(shè)計(jì)院計(jì)算沉降為0 mm，本報(bào)告計(jì)算為7～8 mm。

圖12 A1/A2主樓結(jié)構(gòu)封頂施工后F1柱底跨間沉降變形

圖13 設(shè)置施工縫A1/A2主樓結(jié)構(gòu)封頂后底板沉降變形

對(duì)于地上A1樓與A2樓對(duì)應(yīng)的F1層柱底跨間沉降變形情況，由于混凝土柱、墻在自重作用下的壓縮，造成A1樓、A2樓地上1層豎向位移大于底板處相應(yīng)位移，差值約為4 mm；塔樓外框架柱與核心筒內(nèi)部最大沉降差值為6 mm；A1樓外圍框架柱沉降較為協(xié)調(diào)，但存在外側(cè)沉降大于內(nèi)側(cè)的現(xiàn)象，差值5 mm。A2樓外圍框架柱變形較為協(xié)調(diào)，但四角位置沉降小于其他位置，與設(shè)計(jì)相符。

1.8 計(jì)算結(jié)果總結(jié)

通過采用有限元方法對(duì)本項(xiàng)目A地塊在設(shè)置沉降后澆帶與不設(shè)置后澆帶（采用施工縫）的混凝土澆筑方案下不同施工過程的基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力及沉降變形進(jìn)行定性對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1）采用土基床系數(shù)反算方法，依據(jù)設(shè)計(jì)提供的土質(zhì)勘察數(shù)據(jù)及變形情況，通過荷載與變形的關(guān)系，反算出土彈簧系數(shù)K值（土體基床系數(shù)K=6 500 kN/m3），試算A1施工至14層后結(jié)構(gòu)底板變形（A1樓結(jié)構(gòu)核心最大變形32.4 mm，A2樓結(jié)構(gòu)核心最大變形22.6 mm），與設(shè)計(jì)所提供的該施工工況的沉降變形情況（A1沉降最值27 mm，A2沉降最值23 mm）較為接近，驗(yàn)證了本有限元模型反算的正確性。

2）采用設(shè)置后澆帶方案的底板最大拉應(yīng)力為1.74 MPa，采用設(shè)置施工縫方案的底板最大拉應(yīng)力為2.06 MPa，設(shè)置施工縫方案底板應(yīng)力稍大于設(shè)置后澆帶方案底板應(yīng)力，2種方案底板拉應(yīng)力均小于C35混凝土抗拉強(qiáng)度2.20 MPa。

2 取消后澆帶后采取的施工措施

2.1 優(yōu)化混凝土配合比

現(xiàn)在涉及諸如地下室底板等大體積混凝土澆筑的混凝土配制中一般會(huì)采用“雙摻技術(shù)”[3]，即摻入粉煤灰與礦粉，利用二者的疊加效應(yīng)，改善混凝土的性能，降低混凝土水化熱及內(nèi)外溫差。本項(xiàng)目中根據(jù)底板概況以及取消沉降后澆帶的工況，積極聯(lián)系混凝土攪拌站，改變?cè)谢炷僚浔?，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了理想效果。

2.2 采用跳倉法施工

對(duì)于較大面積的底板澆筑，取消沉降后澆帶后需合理劃分施工分塊，這樣才能達(dá)到減少結(jié)構(gòu)相互制約、釋放收縮應(yīng)力、節(jié)約工期的目的。本項(xiàng)目在兼顧工期與施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，比選不同劃分分塊方案，最終采用前文的劃分方式。同時(shí)，跳倉法施工時(shí)相鄰施工段的間隔至少為7 d。

2.3 合理規(guī)劃混凝土攪拌車交通路線

大體積混凝土的澆筑必須要保證連續(xù)性。本項(xiàng)目策劃階段即充分考慮項(xiàng)目所在地的地面交通狀況及交通高峰時(shí)間，先期與交警部門聯(lián)系安排運(yùn)輸路線，并與混凝土攪拌站商定安排不同時(shí)段的混凝土攪拌車蓄車數(shù)量。

2.4 混凝土的養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑完成后，需及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，根據(jù)天氣情況采取不同的養(yǎng)護(hù)措施。本項(xiàng)目養(yǎng)護(hù)采用覆蓋1層塑料薄膜加1層麻袋的方式。

3 結(jié)語

計(jì)算結(jié)果及后期實(shí)際應(yīng)用效果均表明，取消本項(xiàng)目2個(gè)塔樓之間的沉降后澆帶（設(shè)置施工縫）是完全可行的，避免了設(shè)置后澆帶給工程質(zhì)量、進(jìn)度、成本、安全等帶來的不利影響，可為其他同類深基坑地下室底板施工提供有益的借鑒。