某純地下商業超長結構樓板應力及影響研究

程 鵬 陳澤赳

（華東建筑設計研究院有限公司，上海 200002）

0 引言

在常規設計中，對于超長結構通常會采取分縫的方式解決結構超長帶來的溫度影響。但由于經濟的發展及人們對于品質要求的提高，過多的變形縫對建筑功能的影響較大，地下室的分縫將導致漏水的概率增加。對于純地下項目而言，樓板開洞將不利于水土壓力下樓板應力的傳遞，如何考慮樓板開洞的影響是地下項目不可避免的問題。目前大多工程的溫度問題多為地上建筑的超長引起，地下室的水土壓力大多簡化為雙向彈簧進行模擬，對于純地下工程且同時考慮結構超長、頂板大部分露天、開大洞、水土壓力共同作用下的內力及影響范圍研究的工程案例較少，本文結合成都市某新建地下大型商場項目，討論超長結構的在溫度荷載下的樓板應力［3-4］及樓板開洞情況下水土壓力對結構的影響。

1 工程概況

本項目位于成都，用地性質為地下空間，使用功能均位于地面以下，共五層并帶有局部夾層。地下一～二層為商用。-13 m 標高以下為三層車庫，并有3 條地鐵線穿行其中。項目總用地面積12.7 萬m2，總建筑面積33.4 萬m2，其中地下商業建筑面積為16.2 萬m2。建筑效果圖及剖面圖分別見圖1、圖2。

圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural renderings

圖2 建筑剖面圖Fig.2 Architectural section

商用部分為半開敞的地下空間，-13 m 標高處設置了環形消防車道，上部開孔率為70%，消防車道內部的結構單體與四周土體基本脫開。分為北館、南館、購物村以及東館，北館、南館、購物村與東館之間在-7 m標高層僅通過連廊聯通。

商用部分東西向長約620 m，南北向寬約227 m，是否斷縫及如何斷縫是本工程最大的難點。各個建筑單體未完全被覆土覆蓋，購物村下沉廣場等長期暴露于室外，平面超長將使結構產生較大的溫度應力，為有效控制溫度應力和溫度裂縫應通過斷縫使結構形成幾個相對較小的結構單元［6-8］。但本項目完全處于地面以下，建筑物四周均被土體包裹，過多的斷縫將不利于周圍水土側壓力下水平力的傳遞。

通過初步計算和研究討論，將購物村與北館、南館在-7 m 板室外連板處斷開?？紤]到東館部分主體已施工，因此在未施工的28 軸位置設置雙柱和變形縫，將整個平臺分為不完全獨立的3 個大底盤多塔結構，變形縫寬度為200 mm，結構分縫示意見圖3。

圖3 結構分縫示意圖Fig.3 Schematic diagram of structural joint

2 溫度作用下的樓板應力分析

通過圖3 可以看出，設置變形縫以后，各單體的平面尺寸仍較大，平面最大長度為377 m，因此有必要對溫度荷載的取值及其作用下的樓板應力進行細致的分析。

2.1 溫度參數的取值

成都地區，月平均最低氣溫為-1 ℃，月平均最高氣溫為34 ℃。查閱當地的氣象資料，極端最高氣溫39.3 ℃，極端最低溫度為-5.9 ℃，平均氣溫16 ℃。根據結構規范［2］及當地氣象資料，計算采用的溫度數據詳見表1。

表2 溫度工況計算表Table 2 Calculation of temperature condition ℃

2.2 溫度荷載的確定

結構溫度應力的計算應考慮房屋的環境溫度、使用溫度和結構的初始溫度，考慮混凝土后期收縮的當量溫差、混凝土的收縮徐變及彈性剛度的退化等諸多因素。

1）環境溫度與使用溫度

環境溫度指房屋所在地的絕對最高溫度和絕對最低溫度。成都地區月平均氣溫在-1 ℃～34 ℃，故本項目的東館、南館、北館等-1.5 m 標高覆土頂板的溫度按月平均氣溫-1 ℃～34 ℃考慮。

當存在外露的鋼筋混凝結構及鋼結構且屋面無保溫層等情況時，應考慮陽光輻射熱對結構內力的影響。本項目商業村部分-7 m 標高下沉庭院按極端氣溫-5.9 ℃～39.3 ℃考慮。

使用溫度指房屋正常使用的最高溫度和最低溫度，而在內部使用期間，內部正常情況下不會出現極端溫度情況。根據相關文獻建議［9］，空調房屋使用階段的最低溫度和最高溫度可分別取20 ℃、26 ℃。另外根據本項目業主和暖通專業反饋，商場的空調會在晚上的非營業時間做短時間的關閉。綜合以上因素，本項目室內部分的使用溫度按10 ℃～26 ℃考慮，取房屋的最低使用溫度Ts，min=10 ℃，最高使用溫度Ts，max=26 ℃。

2）初始溫度

初始溫度是結構在施工某個特定階段形成整體約束的結構系統時的溫度，對于混凝土結構為后澆帶封閉時的月溫度，考慮降溫對混凝土結構的不利溫度效應明顯大于升溫（降溫時水平構件主要受拉），同時結合本項目可能的施工季節為8～12 月，故要求施工采取低溫入模，在較低溫度季節或時間封閉后澆帶，封閉時溫度宜控制在10 ℃～20 ℃，嚴禁在高溫、嚴冬、大風或較大雨雪等天氣進行混凝土澆筑或封閉后澆帶。故設定溫度場建立時的初始溫度如下：混凝土結構T0，min=10 ℃，T0，max=20 ℃。

3）本工程的升降溫度計算

4）混凝土收縮當量溫差的計算

參考王鐵夢［1］中的相關計算方法，該方法的原理是先確定某種標準狀態下混凝土的最大收縮，任何其他狀態下的最大收縮應用各種不同系數加以修正。計算公式如下：

式中：εy(∞)為某狀態混凝土的最大（最終）收縮應變為標準狀態混凝土的最大（最終）收縮應變，對于任何標號的混凝土均為一固定值ε0（∞）=3.24×10-4；b為經驗系數，一般取0.01，養護較差時取0.03；Mi為各種修正系數；αc為混凝土線膨脹系數，取1.0×10-5。

結合本工程，以頂板（-7 m廣場）為例：

90天殘余收縮

0.4εy（∞）=11.4×10-5

90天收縮降溫

ΔT2-=-11.4 ℃

5）混凝土結構溫度效應的調整

考慮混凝土徐變特性及混凝土構件裂縫的影響?；炷恋男熳冇绊懴禂等?.3，剛度退化系數取0.85。

6）計算內力分析用的溫差

考慮各種調整后的當量溫差（考慮溫度效應的調整），本工程計算內力的溫差取值詳見表3。

表3 溫差取值表Table 3 Temperature load calculation ℃

2.3 溫度作用計算結果

采用YJK 進行溫度應力的計算，商業各樓層均設置為“彈性樓板6”，結構計算模型見圖4。

圖4 結構三維模型圖Fig.4 Structure 3D model drawing

負一層-1.5 m 標高、負二層-7.0 m 標高頂板在降溫工況下的樓板應力見圖5。

圖5 樓板溫度應力σy（N/mm2）Fig.5 Floor temperature stress σy （N/mm2）

2.4 計算結果分析

由商業各層樓板主拉應力結果可知：

在施工溫降工況下，負一層頂板：東館X向溫度應力最大，約2 MPa；南館Y向溫度應力最大，約1.0 MPa。負二層頂板：商業村X向溫度應力最大，約1.8 MPa；商業Y向連橋位置應力普遍較大，局部區域拉應力5 MPa。

當溫降產生的拉應力小于混凝土的抗拉強度ftk=2.20 MPa 時，說明混凝土可承擔溫降產生的拉應力不需要附加鋼筋；反之當樓板拉應力超過混凝土抗拉強度時，拉應力由鋼筋承擔。

通過上述分析，樓板按如下方式進行設計：

（1）商業各層樓板采用雙層雙向通長配筋，適當提高樓板的配筋率至不小于0.35%。商業負一層頂板厚度250 mm，雙層雙向14@150；負二層頂板厚度120 mm，雙層雙向配筋10@150。根據溫度作用下樓板應力計算結果，加強樓板應力較大處的樓板配筋。

附加鋼筋計算過程［5］如下（以5.0 MPa為例）：

σ=5.0 MPa，取1 m板帶計算

N=5.0×1 000×120=600 kN

單層配筋面積計算值：

AS=N/2fy=600/（2×360）=833 mm2

需附加鋼筋：AS=833-523=310mm2，采用8@150（AS=335 mm2）

（2）對于拉應力較大的商業村-7 m標高處的連橋位置，采用增加配置抗拉鋼骨的方式，抵抗溫度應力，即使混凝土受拉應變較大而開裂，樓板仍然能保持抵抗豎向荷載的能力。

2.5 超長結構的構造措施

在計算的基礎上，從構造上進行如下加強：

（1）合理使用混凝土外加劑及補償性混凝土以消除某些致使結構產生收縮和溫差應力的誘因，防止或盡可能地減小溫差應力的產生。本工程-13.0 m及以上標高底板、各層樓板、外墻、頂板均采用DJ-P 高性能混凝土膨脹劑和DJ-X 聚丙烯工程纖維。

（2）設置后澆帶來釋放混凝土早期收縮應力和施工期間溫差應力，間距控制在40～50 m，后澆帶采用比相應結構部位高一級的微膨脹混凝土澆筑。

（3）應嚴格控制合攏溫度：控制在10 ℃～20 ℃，后澆帶應在低溫時封閉。后澆帶澆筑完畢后亦應加強養護，同時應及時完成建筑相應防水層及覆土等工作。

（4）適當延長溫度后澆帶的封閉時間，應在其兩側混凝土澆搗三個月并經設計同意后方可澆筑封閉。

（5）通過采取必要的施工措施，如加強混凝土養護、改進澆筑工藝和提高現場質量控制等，減小混凝土的收縮從而提高混凝土自身的抗裂性能。

3 水土壓力對結構的影響

3.1 水土側向壓力概述

地下室側土對結構的約束，力學上相當于只受壓不受拉的單壓彈簧。長期以來，對于地下室側土約束在彈性計算中的模擬，均簡化為地下室各樓層頂板位置的普通雙向彈簧參與計算。相當于假設地下結構任一對側的土約束剛度是大小相等，方向相反的。對于常見的四面具有側土約束的地下室結構，該方式的近似效果較好。但對于本工程，地下室樓層有較大面積的樓板不連續或躍層結構等特殊情況，傳統方式的模擬有一定的局限性。

顯然，對于地下室側土，使用地下外墻面外的單壓彈簧進行模擬才是更接近實際的計算模型。本工程中，對于地下室外墻，采用YJK對每片外墻單獨計算所有墻元節點的彈簧剛度，彈簧剛度垂直于墻面。商業各樓層均設置為“彈性樓板6”，計算水土壓側向荷載工況下的樓板應力。結構計算模型見圖6。

圖6 結構計算模型Fig.6 Structural calculation model

3.2 樓板應力計算結果

考慮水土壓力對主體結構的影響，典型計算結果詳見圖7。

圖7 水土壓力下樓板應力σy （N/mm2）Fig.7 Floor stress under water and soil pressure σy （N/mm2）

取圖7 中1 區域同一軸線上（Y軸），對比頂板單壓彈簧模型與頂板雙向彈簧模型柱配筋結果，見表4。

表4 Y向柱配筋結果對比表Table 4 Comparison of reinforcement results of Y-direction column cm2

圖8 中3 區域寬度約為18 m，為左側開洞、右側緊鄰室外土，此區域樓板寬度較窄，抗側力構件較少，取圖8 中3 區域同一軸線上（X軸），對比設置抗側墻模型與未設抗側墻模型柱內力及配筋計算結果，見表5。

表5 X向柱配筋結果對比表Table5 Comparison of reinforcement results of X-direction column cm2

圖8 3區域結構布置圖Fig.8 3 regional structure layout

3.3 計算結果分析

由以上計算結果，可知：

（1）計算結果中1 區域樓板最大應力約-2.4 MPa，2區域樓板最大應力約為-4.0 MPa。

此計算結果說明：外墻相鄰室內梁柱的受力和配筋需考慮水土側向壓力帶來的不利影響。

（2）由頂板單壓彈簧模型與頂板雙向彈簧模型柱配筋結果對比可發現對于雙向彈簧模型中水土壓力的影響范圍約為27 m（3 跨），而單壓彈簧模型的影響范圍約為45 m（5跨）。

此結果表明：地下室樓板存在大量開洞的情況下，單壓彈簧計算的水土壓力對主體結構的影響范圍遠大于雙向彈簧的范圍，因此對于地下建筑中距離擋土墻較近的樓板削弱較大的情況下，單側水土壓力的不利影響是不可忽略的。

（3）由3 區域樓板寬度可知此處抗側能力較弱，對側推力較敏感，由表5 的對比結果可以表明：未設抗側墻時，柱配筋已出現超筋現象并且沒有足夠的抗側構件抵抗水土壓力。

由此表明：對于緊靠外墻且抗側構件較少的區域，水土壓力的影響已成主控工況，大多情況下僅靠柱子已較難抵抗水土壓力，此時應引入抗側墻與框柱共同抵抗水土壓力，且在引入抗側墻后，梁柱配筋均有明顯下降。

4 結論

本文介紹了超長結構在成都某純地下大型商業項目中的應用，可以由此得到下列結論：

（1）當結構超長時，需要對結構各個區域的溫度荷載取值進行細致的計算。通過溫度工況下的樓板應力分析可知，對于應力稍大區域可用鋼筋加強，對于應力較大區域可用增加型鋼抵抗溫度應力并使其提高其抵抗豎向荷載能力。

（2）通過水土壓力工況下的樓板應力分析可知，在地下室樓板存在大量開洞的情況下，地下結構需考慮水土側向壓力帶來的不利影響。水土壓力的影響范圍為5～6跨。對于緊靠外墻且抗側構件較少的區域可引入抗側墻或支撐等方式加強其抗側性能。

因此，對于結構需要超長的情況下，采用合理的溫度應力分析及有效構造措施是可以保證結構的安全性及合理性。而對于地下結構而言，水土壓力的重要性是不可忽略的，且水土壓力對相應區域的構件配筋及抗側能力有決定性影響。在地下室樓板存在大量開洞的情況下，水土壓力建議采用單壓彈簧進行模擬。