大體積混凝土施工期間變形的有限元分析

鐘雪琳　李紫良

摘? 要：合理的施工方案和科學(xué)分析是保證結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)的重要手段。施工過程是一個(gè)伴隨結(jié)構(gòu)形態(tài)和受力狀態(tài)不斷變化的動(dòng)態(tài)過程，施工荷載加載和后期徐變都大大影響結(jié)構(gòu)的施工全過程。通過對(duì)我司參與的杭州地鐵某停車場(chǎng)停車場(chǎng)按照施工順序采用有限元分析，解決常規(guī)設(shè)計(jì)中忽略施工階段對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響，提出相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)意見及施工控制措施、解決施工中常出現(xiàn)的質(zhì)量通病。

關(guān)鍵詞：混凝土;溫度應(yīng)力;徐變;收縮;設(shè)計(jì)優(yōu)化;施工控制

中圖分類號(hào)：TU37? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 工程概況

杭州地鐵某停車場(chǎng)A區(qū)房屋長(zhǎng)寬均大于100 m，為地上一層停車場(chǎng)庫房，帶上蓋開發(fā)。主體建筑采用柱下鉆孔灌注樁+承臺(tái)基礎(chǔ);蓋上區(qū)域?yàn)?8層住宅，總高68.5 m，蓋上住宅樓結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，在地上二層頂部進(jìn)行梁式轉(zhuǎn)換，一層結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建立的整體模型如圖1所示。上蓋物開為預(yù)留，不在車輛段設(shè)計(jì)、施工范圍。

A區(qū)大蓋層設(shè)置四條通長(zhǎng)后澆帶分成9個(gè)區(qū)域，地梁后澆帶對(duì)應(yīng)上部位置設(shè)置。施工順序有3步。1）階段一：澆筑樁基承臺(tái)、地梁（圖2）。2）階段二：階段一后42 d 澆筑除后澆帶外的二層大蓋（圖3）。3）階段三：階段一后45 d封閉后澆帶（圖4）。

由于大蓋為上部物開轉(zhuǎn)換層，與施工現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)后，要求對(duì)大蓋及地梁、承臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)算、查驗(yàn)出溫度應(yīng)力影響下的最不利位置的應(yīng)力、應(yīng)變情況，以便于提前采取措施進(jìn)行干預(yù)控制，將變形控制在允許范圍內(nèi)，減少裂縫出現(xiàn)。

科研組采用有限元對(duì)一層大蓋進(jìn)行施工階段及一年內(nèi)的混凝土收縮、徐變分析、按施工階段分段進(jìn)行模擬計(jì)算。

其中，樁基、連梁、柱、梁采用梁?jiǎn)卧M，承臺(tái)采用實(shí)體單元模擬，樓板采用板單元模擬。在實(shí)體單元與梁?jiǎn)卧B接部位采用剛性連接來解決不同單元類型的連接問題，整體模型如圖1所示。

該工程按升溫15 ℃及降溫15 ℃考慮環(huán)境溫差，再考慮徐變效應(yīng)后，按±9 ℃考慮環(huán)境溫差[1]。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 位移結(jié)果

在考慮施工階段作用下，該工程在考慮混凝土收縮情況下，收縮引起的變形為 施工階段一 承臺(tái)基礎(chǔ)變形不足1 mm;施工階段二（澆筑完成后第42天、后澆帶封閉前） 收縮變形為1.2 mm; 施工階段三（澆筑完成后300天） 施工及溫度組合下上部結(jié)構(gòu)徐變（徐變變形為33 mm、位置出現(xiàn)在角部及邊緣應(yīng)力較大處）在僅考慮施工過程引起的收縮情況下，該工程下部結(jié)構(gòu)最大水平變形為3.71 mm，上部結(jié)構(gòu)最大水平變形為4.51 mm。在考慮施工荷載及溫度效應(yīng)組合下，下部結(jié)構(gòu)最大水平變形為4.52 mm，上部結(jié)構(gòu)最大水平變形為11.03 mm。

2.2 應(yīng)力結(jié)果

該工程在考慮混凝土收縮的情況下，收縮引起得混凝土最大應(yīng)力結(jié)果最不利出現(xiàn)在圖示樁頂位置處，該處承臺(tái)達(dá)到43 m，在兩側(cè)與樁相接處出現(xiàn)最大應(yīng)力，為1.25 MPa，均小于抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.71 MPa。按照配合比根據(jù)大體積混凝土裂控相關(guān)計(jì)算[2]推導(dǎo)出的溫度應(yīng)力值顯示：承臺(tái)及樁基礎(chǔ)連接部位能夠滿足從澆筑到第28天抗拉強(qiáng)度，不會(huì)在該階段產(chǎn)生裂縫。

施工階段二中后澆帶尚未封閉，基礎(chǔ)、承臺(tái)、地梁應(yīng)力基本同施工階段一。施工階段三，最不利出現(xiàn)在建筑物四周、尤其是4個(gè)角。樁基礎(chǔ)最大應(yīng)力為2.45 MPa，超出抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。在施工階段三，施工及溫度組合下拉梁最大主應(yīng)力云圖（（MPa）最不利出現(xiàn)在2個(gè)大型承臺(tái)間，該處承臺(tái)長(zhǎng)度達(dá)到43 m，在兩側(cè)與樁相接處由于溫度作用產(chǎn)生的最大應(yīng)力為2.04 MPa，最終合攏后應(yīng)力為1.89 MPa，均大于C40混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.71 MPa，顯示該位置在后期后澆帶合攏后在混凝土的收縮徐變作用下將會(huì)產(chǎn)生裂縫。

最不利出現(xiàn)在后澆帶范圍內(nèi)，在溫度荷載作用下最大應(yīng)力為1.09 MPa，小于C40混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.71 MPa。在施工荷載及溫度組合下最大應(yīng)力為后澆帶及邊跨基本都小于1.4 MPa，僅應(yīng)力集中處達(dá)到2.4 MPa，超出受拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。綜上所述，在后澆帶封閉后，大體量建筑物在施工荷載及混凝土溫度荷載作用下引起的收縮情況有4個(gè)。1）樁基礎(chǔ)大部分為壓應(yīng)力，但周邊樁基礎(chǔ)在荷載及溫度作用下顯示為受拉，其中4個(gè)角樁基礎(chǔ)拉應(yīng)力最大為3.5 MPa，超出規(guī)范1.7 MPa的要求。2）承臺(tái)大部分應(yīng)力小于1.7 MPa，與地梁相接處出現(xiàn)拉應(yīng)力集中最大軸線應(yīng)力為8.6 MPa，超出規(guī)范要求。3）承臺(tái)拉梁大部分應(yīng)力小于1.7 MPa，僅個(gè)別位置最大軸向應(yīng)力為2.04 MPa。4）上部結(jié)構(gòu)樓板主拉應(yīng)力基本小于1.7 MPa，但在柱與剪力墻陰角相交處的樓板出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，最大軸向應(yīng)力為2.4 MPa。

3 原因分析

溫度荷載對(duì)水平構(gòu)件的軸力起控制作用;大體量建筑物當(dāng)長(zhǎng)寬超出規(guī)范要求時(shí)，從樁基、承臺(tái)與拉梁相接處、較大承臺(tái)間的拉梁、上部板與柱子交接處均會(huì)出現(xiàn)不同應(yīng)力超設(shè)計(jì)強(qiáng)度的情況;程度在一定時(shí)間內(nèi)隨齡期的增加而發(fā)展。設(shè)計(jì)和施工應(yīng)該盡量減少應(yīng)力集中的情況出現(xiàn)。尤其是在分析過程中與對(duì)應(yīng)各齡期內(nèi)的混凝土抗拉強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，判斷計(jì)算結(jié)果是否滿足滿足要求，有5點(diǎn)建議。1）設(shè)計(jì)時(shí)宜將大承臺(tái)分隔為較小的單元。2）承臺(tái)周邊及四角樁基礎(chǔ)均應(yīng)按照抗拔樁進(jìn)行設(shè)計(jì)。3）橫向地基拉梁不宜貫通，大承臺(tái)側(cè)建議取消拉梁。4）大體積混凝土應(yīng)當(dāng)適度延長(zhǎng)后澆帶的封閉時(shí)間。5）剪力墻與柱陰角相交處的板上下均應(yīng)采用附加鋼筋網(wǎng)，并加強(qiáng)后期養(yǎng)護(hù)。

4 施工階段重點(diǎn)控制措施

工程施工階段前期對(duì)照計(jì)算結(jié)果，配合設(shè)計(jì)院進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域的優(yōu)化設(shè)計(jì)，建議在應(yīng)力較大的橫向地梁中部增設(shè)沉降縫;并結(jié)合應(yīng)力云圖，對(duì)超大承臺(tái)、后澆帶、剪力墻與柱陰角相交處結(jié)構(gòu)等予以重點(diǎn)控制，通過拉長(zhǎng)流水施工周期和時(shí)間間隔，預(yù)留足夠的應(yīng)力發(fā)散和形變時(shí)間，加強(qiáng)構(gòu)造配筋和溫控措施，優(yōu)化混凝土配比及澆筑順序，重點(diǎn)區(qū)域單獨(dú)驗(yàn)收并安排專人觀測(cè)及養(yǎng)護(hù)，減少了結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生。

建筑物從施工開始直至施工完成1～2年，大體量的混凝土構(gòu)件受溫度、徐變、材料和相關(guān)荷載的影響，混凝土的抗拉強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫、出現(xiàn)質(zhì)量通病。一直以來，施工、設(shè)計(jì)工程師們認(rèn)真查驗(yàn)的量化數(shù)據(jù)，以便于很好地控制。通過建立模型、實(shí)時(shí)模擬施工階段和使用階段的受力情況，查驗(yàn)混凝土在收縮、徐變及強(qiáng)度的變化影響下的應(yīng)力分析及變形情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)照采取措施，避免產(chǎn)生質(zhì)量通病。

參考文獻(xiàn)

[1]翁志海，徐才華.大體積混凝土抗裂措施淺析[J].建材與裝飾，2020（16）：1-2，4.

[2]江正榮.建筑施工計(jì)算手冊(cè)（第四版）[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2018：603-619.