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五里河大厦超长地下室的设计与施工——张春良、杨旭
发布时间:2008-10-21  浏览次数:3532
[摘要] 本文简要介绍了五里河大厦地下室超长混凝土结构的防裂设计及施工措施,供类似工程参考。
[关键词] 超长地下室 混凝土结构 补偿收缩混凝土 防裂设计 施工措施
 
1. 工程概况:
  五里河大厦位于沈阳市青年大街南端的夏宫南侧,是由沈阳华新国际实业有限公司开发建设的商住楼,地下共2层,地下二层平时用于汽车库和设备用房,战时为六级人防车掩体,地下一层用于汽车库和设备用房;地上由4层裙房和南北A、B两座22层的塔楼组成,塔楼檐口处高度为90.7m,一层地面设计±0.000标高相当于绝对高程43.75m。裙房部分采用框架结构,基础采用柱下独立基础外加构造防水底板;主楼采用框支剪力墙结构,平板式筏板基础。基础持力层均为⑤砾砂夹圆砾层,持力层承载力标准fk=600kPa(89规范)。该项目于2003年3月开工,2005年9月竣工。
 
2.工程地质
  2.1场地地基土:不计地表人工杂填土,本工程自上而下的地基土分布情况如下:
  ② 粉质粘土:湿,可塑(局部软塑)。fk=130kPa,Es=4.5MPa。
  ③ 中、粗砂:很湿~饱和,稍密,局部有粘性土及粉、细砂薄层。fk=200kPa,E0=12.0MPa。
  ④ 圆砾夹砾砂:主要由结晶岩组成,一般粒径2~20mm,最大粒径90mm,充填约30%混粒砂。局部为砾砂夹层。中密。fk=500kPa,E0=32.0MPa。
  ⑤ 砾砂夹圆砾:混粒,含约15%圆砾,局部为圆砾夹层,饱和,中密~密实。局部有可塑的粘性土薄夹层。fk=600kPa,  E0=32.0MPa。
  2.2地下水:本工程地质勘察期间钻孔内均见地下水,地下水埋深在自然地面下4.90~5.60m,稳定水位的绝对高程变化在37.87~37.94m。地下水类型为潜水,主要赋存在④ 圆砾夹砾砂和⑤ 砾砂夹圆砾中。④ 圆砾夹砾砂和⑤ 砾砂夹圆砾的渗透系数K可分别采用100m/昼夜和80m/昼夜。地下水对混凝土无腐蚀性,对钢结构具有弱腐蚀性。施工期间需降水。
 
3地下室特征及主要设计参数
  本工程的地下室平面基本上呈矩形,详见图1(图中左侧为北向),其平面尺寸长×宽为109.8×54.9m。地下一层的结构层高为4.38m,地下二层的结构层高为4.25m,地下室底板的设计顶标高为-8.690,相当于绝对高程35.06m,即地下二层外墙的水头高度为2.81~2.88m。由于底板下为良好的⑤砾砂夹圆砾层,承载力较高,工程采用天然地基,高层部分为筏板基础,厚度为1.8m,裙房部分为柱下独立基础加防水板,防水底板的厚度为0.4m。地下二层的外墙厚度为350,配筋为双层双向16@200,地下一层的外墙厚度为300,配筋为双层双向16@200。
 


图1 基础平面布置图


4地下室无缝设计的原因:
  
从图1可以看出,本工程地下室的纵向长度远远超过了规范所规定的伸缩缝间距要求。由于地下二层直接浸入地下水中,在满足结构安全的前提下,地下室是否设永久伸缩缝、不设缝需要采取哪些措施,来防止地下室超长混凝土结构的收缩开裂,满足地下室正常使用期间的防水要求,是本工程地下室结构设计的一项重要内容。本工程综合考虑了以下因素后,决定取消永久伸缩缝。
  4.1使用功能:本工程地下室平时用于汽车库,建筑功能需要地下室的空间开敞、连通,尽量减少障碍物,方便汽车通行。设置伸缩缝必然要将地下室分成几段,即使设置地下通道互相之间可以连通使用,但为了保证地下室的埋深和侧限,段与段之间须设置双墙,限制了建筑的使用功能。而且,双墙之间还需要填满、夯实砂土,建筑专业还要求做外防水,这样双墙之间必须有一定的间距才可施工,这既增加了工程造价,又增加了施工难度。
  4.2工程实践:目前,实际工程中地下室的长度很难满足《混凝土结构设计规范》规定的地下混凝土结构20~40m[1]的伸缩缝间距要求,在采取一定技术措施的基础上,长度超过规范规定的地下工程实例很多,有些工程的长度甚至超过规范规定数倍之多。在此之前,笔者曾经设计过多项类似地下工程,在设计中采用了后浇带、膨胀加强带及加强配筋构造等措施,取得了良好的效果,为本工程的设计积累了一定的经验。
  4.3施工技术:随着工程实践的需要和施工技术的进步,施工单位对超长、大体积混凝土结构的施工越来越重视,在施工中也采取了许多诸如在混凝土内部预埋冷却水管及分段、分层、跳仓浇筑等施工技术措施,大大减少了混凝土浇筑时水化热的影响,降低了混凝土开裂的可能性。同时,混凝土的后堵漏技术也在不断发展,即使施工中出现一些细小的局部裂缝,也可以比较容易地进行塞缝、堵漏处理。
  4.4环境影响:影响混凝土开裂的因素很多,除了外荷载外,混凝土在约束情况下的收缩是其开裂的根本原因。混凝土在其早期硬化过程中的凝缩和干缩很难避免,后期使用过程中外界环境温度和湿度的变化是影响其收缩开裂的主要原因[2]。材料的热胀冷缩是一种自然现象,而混凝土还具有干缩湿胀的特性。由于地下结构长期处于土中,而土中的温度和湿度变化相对要小的多,这为增加地下混凝土结构的长度提供了有利条件。
  4.5经验教训:实际工程设计中若设置了永久伸缩缝,为了使地下室连通,需在伸缩缝处垂直伸缩缝设置通道而将永久伸缩缝留在通道中间,而且要采用周圈封闭的止水带处理接缝。目前在实际工程中,为了降低工程造价,大多采用橡胶止水带,而由于橡胶止水带的阻碍作用和不易固定,接缝处浇筑混凝土时往往容易触动止水带,混凝土也不易浇筑密实,导致止水带失效漏水,且难以找到漏水点,不易修复。

5防裂措施:
  
地下室超长混凝土结构的防裂设计应综合采取“防(减)、抗、放”等技术措施相结合的原则,避免产生混凝土有害裂缝,减少或避免无害裂缝,使地下室超长混凝土结构能够满足安全、防水和耐久性等正常使用要求。为达到此一目的,还需要结合施工及材料等各方面综合考虑,各个环节积极配合,方能取得满意的效果。笔者在本工程的设计中采取了下列一些措施,同时对施工也提出了一些具体要求。
  5.1预留施工后浇带:后浇带是解决施工期间混凝土早期收缩裂缝和建筑物高低层之间差异沉降而经常采取的技术措施,一般前者称为温度后浇带,后者称为沉降后浇带,实际工程中的后浇带常常二者兼而用之。如图1所示,本工程设置了五条后浇带,在图中分段编号为后浇带(一)、(二)、(三),其中后浇带(一)兼作温度后浇带和沉降后浇带,设计要求须在高层主体施工结束后浇筑,而后浇带(二)、(三)为温度后浇带,设计要求在其两侧构件施工完两个月后浇筑。
  5.2控制混凝土强度:混凝土的强度越高所需的水泥用量越多,混凝土浇筑时的水化热越大,混凝土越容易开裂。对大体积混凝土,由于水化热散发较慢,若不采取有力措施,浇筑时的内外温差更大,更易开裂。因此,对于长度超过规范规定的混凝土结构,应控制所采用的混凝土强度等级不致太高。本工程在设计文件中要求地下室的底板、外墙及地下二层顶板均采用C30补偿收缩混凝土,掺加混凝土膨胀剂,抗渗等级为S8;地下一层的顶板采用C30混凝土。本工程对底板和外墙所采用的补偿收缩混凝土的限制膨胀率等参数未能提出具体要求,只是希望加入混凝土膨胀剂来抵消部分混凝土的收缩,达到减小地下室混凝土中收缩拉应力的目的。但鉴于目前设计单位与商混厂家沟通脱节的现实,在实际施工中商混厂家是否掺加了混凝土膨胀剂、掺量多少、产生了多少膨胀量、混凝土的干缩率多少、对防止本工程地下室混凝土的开裂起到多大作用均未能得知。
  5.3加强温度钢筋:适度加强配筋,增加混凝土结构的抗拉承载能力,可以有效降低混凝土开裂的可能性或减轻混凝土的裂缝宽度。本工程的地下室外墙虽按竖向单向受弯构件计算配筋,但考虑到地下室超长的问题,仍如上所述加强了水平向的通长配筋。另外,两层地下室顶板的上部除支座附加钢筋外,也配置了通长钢筋。地下二层的顶板厚度为250,板顶通长钢筋为14@200,地下一层的顶板厚度为180,板顶通长钢筋为12@200
  5.4加强保温措施:环境降温容易引起混凝土的收缩开裂,设计中应采取保温措施防止大气降温对混凝土构件的直接影响,尤其要避免急剧大气降温的影响。本工程在设计中对冻土线以上的地下室外墙和上部无建筑物的地下室顶板的外侧均要求采用聚苯乙烯板加强其保温性能,减少大气温度对地下室的影响。
  5.5重视施工措施:混凝土的施工工艺及施工措施对混凝土的收缩影响巨大。实际工程中常见有满足规范规定长度开裂、而超过规范规定长度不开裂的工程实例,这其间除设计考虑全面、配筋构造合理外,拌制混凝土的原材料和混凝土的浇筑、养护等施工措施同样起着很重要的作用。
  5.5.1混凝土原材料:水泥的水化热越多混凝土开裂的可能性越大,因此确定混凝土配合比时要尽量少用水泥或采用低水化热水泥。另外,混凝土骨料中的含泥量过多容易引起混凝土的开裂[2],因此,本工程在施工技术交底时要求混凝土骨料中的含泥量不得大于2%。
  5.5.2后浇带浇筑:为防止浇筑后浇带的混凝土产生大的收缩而在后浇带处出现裂缝,设计要求浇筑后浇带的混凝土也采用补偿收缩混凝土,而且其中膨胀剂的掺量要大于带外混凝土的掺量。另外,设计还要求浇筑后浇带时的大气温度要低于带外混凝土浇筑时的温度,尽量降低后浇带混凝土的收缩变形。
  5.5.3混凝土养护:干缩湿胀是混凝土的一个特性,在混凝土的养护期间保持混凝土一定的湿度,不仅可以降低水化热的影响,使水化作用达到其最大速度,得到更高强度的混凝土,而且可以迟滞混凝土硬化后水分逐步散发而产生的干缩。设计要求本工程地下室混凝土的保湿养护不少于两个月。
  5.5.4基坑回填:由于回填土对地下室有良好的保温、保湿作用,设计要求地下室外防水施工完后要及时回填基坑,减少外界温差的影响,尤其当地下室后浇带在入冬前浇筑完时,一定要尽快施工外防水,尽量减少基坑的外露时间。

6结语:
  
本工程竣工投入使用已经一年多,地下室施工完已三年多,而且根据业主的工期安排,考虑到前期实际观测到的高层部分的绝对沉降量和高低层之间的相对沉降差都不大,地下室的预留沉降后浇带在上部结构施工到十层左右时就浇筑了混凝土。工程竣工至今,地下室未发现明显的裂缝和渗、漏水现象,说明该工程成功地解决了超长混凝土结构容易出现裂缝的问题。
  通过该工程的设计实践,我们认为,对地下混凝土结构,考虑到土中温差较小和湿度变化不大的有利因素,只要人们在思想上足够重视,采取适当的技术措施,施工单位密切配合,即使长度超过规范的规定更多,也是可以较好地解决混凝土的开裂问题,很好地满足业主的使用要求,降低工程造价,具有一定的社会意义。

 
参考文献:
【1】       混凝土结构设计规范(GB 50010-2002)
【2】       王铁梦,工程结构裂缝控制,中国建筑工业出版社,2006
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