高层建筑地下室的优化设计

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一、工程概况

　　上海滨江凯旋门，总建筑面积20610m²，为大底盘、多塔结构，其中地下室建筑面积36340m²，结构最大长约378m，最大宽约154m，中间设置一道伸缩缝。地下室分为二个区：Ⅰ区结构最大长约208m，最大宽约154m，Ⅱ区结构最大长约170m，最大宽约80m。地下室局部为6级防空地下室。人防区底板厚0.8m，侧墙厚0.5m，顶板厚0.25m；非人防区底板厚0.6m，侧墙厚0.4m，顶板厚0.2m。主楼筏板厚度分别为1.5m、2.0m。地下室混凝土设计强度等级为C35，混凝土抗渗等级为S8。按照设计规范，本工程地下室结构属于超长大面积混凝土结构工程，所以针对本工程实际情况，采取了多种技术措施来防止由于结构超长引起的裂缝。

　　二、超长混凝土结构无缝设计要点

　　结构温度、收缩应力是由于结构变形受约束而产生的。在理论上只要材料的强度不小于最大约束应力，则任意长度结构不设伸缩缝亦不会开裂。由于混凝土材料的抗拉强度很低，韧性差，以及在结硬过程中产生收缩，理论和实践均证明，若不采取措施，难以满足混凝土规范对结构裂缝的要求。因此，为防止出现上述情况，该超长地下室结构设计采取以下措施防止由于结构超长引起的裂缝。

　　1.设置后浇带

　　（1）间距。结合建筑物长度、气候环境特点综合考虑，后浇带间距一般控制在30～40m左右，因建筑原因无法设置后浇带时，增设膨胀加强带。

　　（2）位置。小跨梁开间或受力较小的部位，一般设置在梁跨1/3处。平面布置时梁的布置平行于后浇带，以免梁截断太多。视具体情况可沿平面曲折通过。

　　（3）宽度。综合考虑，本工程后浇带宽度取为800mm。

　　（4）钢筋。后浇带部位的构件钢筋不截断，且增设不少于原配钢筋20%的附加钢筋， 深入后浇带两侧各1000mm，这样可避免梁钢筋全部截断后造成的钢筋搭、焊接困难。

　　（5）浇筑时间。为最大限度减少混凝土施工过程的温度及收缩应力，后浇带的保留时间应不少于六个月，且浇筑时的温度宜低于主体混凝土浇筑时的温度。

　　（6）混凝土。采用C40的微膨胀混凝土浇筑（应保证水中养护14天的混凝土限制膨胀率大于等于0.035%）。

　　（7）断面形式。一般避免留直缝，对于板可留斜缝；对于梁及基础，可留企口缝。

　　（8）地下室有防水要求，在新老混凝土之间设置钢板止水带，以防止渗漏。

　　2.设置膨胀加强带

　　本工程地下室体型复杂，上部结构在地下室内柱网排列也不均匀，所以部分区域后浇带间距无法保证，为此，在这些区域增设膨胀加强带并结合跳仓法施工。膨胀加强带混凝土采用C40的微膨胀混凝土浇筑（应保证水中养护14天的混凝土限制膨胀率大于等于0.035%），在其两侧架设密孔铁丝网，以防止两侧混凝土流入膨胀加强带，膨胀加强带钢筋增加作法同后浇带。

　　3.采用低水化热的水泥配置混凝土并适量加入粉煤灰

　　混凝土内外部温差过大会产生裂缝，主要是由水泥水化热引起的。地下室超长大体积混凝土基础中，混凝土强度级别较高，水泥用量大，因此混凝土在初凝过程中会有大量水化热产生。混凝土是热的不良导体，又由于地下室底板及筏板几何尺寸巨大，这些热量不易及时排出而积聚，导致了其内部温度迅速升高（最高时可达70～80℃）；相反，在构件表面，则由于散热条件良好，温度保持较低水平。这样就出现了内外温差，这种相对的“内胀外缩”使混凝土表面产生拉应力，当它超过混凝土拉伸极限时，裂缝就产生了。

　　粉煤灰水泥系在硅酸盐水泥中掺入占水泥重量20%～40%的粉煤灰组合而成。其有如下特性：早期强度较低，后期强度增长较快；水化热较小；耐冻性差；耐硫酸盐腐蚀及耐水性较好；抗炭化能力差；抗渗性较好；干缩性较小；抗裂性较好。

　　选择粉煤灰水泥在技术上有两点好处：一是减少内部水化热的产生（因为减少了水泥用量）；二是减少混凝土的“干缩”量，这样从整体上对裂缝的产生和扩展起到了预防和抑制作用。

　　4.加大碎石骨料用量

　　碎石骨料表面粗糙与水泥的胶结良好，同样配比的混凝土其强度较卵石混凝土高，并可降低水化热，收缩变形小，从而裂缝也小。在满足施工泵送要求的情况下，加大碎石骨料用量，降低水泥用量，减小混凝土的水化热，能更好地保证混凝土的质量。

　　5.降低水灰比

　　确定设计配合比阶段，采取降低水灰比的措施。采取该措施的目的在于减少用水量，降低混凝土的收缩。同时建议施工单位在混凝土浇筑阶段，采用二次振捣的工艺，即在混凝土初凝前进行二次振捣，避免混凝土因沉降收缩而引起的裂缝。

　　6.掺加膨胀剂

　　从广义来看，掺加膨胀剂的混凝土是一种补偿收缩的混凝土，这就要求对混凝土结构的早期收缩裂缝要进行控制，其思路为“以抗为主”的原则，利用补偿收缩混凝土在硬化过程产生的膨胀作用，在结构中产生少量预压应力用来补偿混凝土在硬化过程中产生的温度和收缩拉应力，从而防止收缩裂缝或把裂缝控制在无害裂缝范围内。

　　本工程地下室所有混凝土均添加UEA-H 高抗裂膨胀剂，并要求保证水中养护14天的混凝土限制膨胀率大于等于0.025%。膨胀剂通过水化反应，使混凝土产生适量膨胀，在钢筋和邻位的限制下，在混凝土中建立0.3～0.5MPa的预压应力，可大致抵消混凝土干缩及温度收缩时产生的拉应力，防止混凝土开裂。同时膨胀剂水化时生成的膨胀结晶使混凝土的抗渗能力大大提高，从而实现混凝土结构抗裂与抗渗的目的，提高了结构的整体抗裂性能和抗渗标号。

　　7.设水平暗梁

　　由于墙体受施工和环境温度、湿度等因素影响较大，容易出现竖向收缩裂缝，混凝土强度等级越高，开裂几率越大。本工程设计时在计算满足的前提下适当提高了墙体的水平钢筋配筋率，水平钢筋的间距小于等于150mm，即采取细而密的配筋原则。由于墙体受底板或顶板的约束较大，混凝土胀缩不一致，所以设计图纸中在墙体中部及端部各设一道水平暗梁，用来控制墙体有害裂缝的出现。

　　8.增设构造钢筋

　　由于墙与柱的配筋率相差较大，混凝土胀缩变形与限制条件有关，又由于应力集中原因，在离柱子1～2m的墙体上易出现竖向收缩裂缝。设计要求在墙柱连接处设水平附加筋，附加筋的长度为2000mm，插入柱子中200mm，插入墙体中1800mm，该处配筋率相应提高10%～15%。这样，有利于分散墙柱间的应力集中，避免竖向裂缝的出现。

　　9.加强混凝土养护

　　掺UEA-H混凝土的养护是保证工程质量的最重要的措施之一，要派专人负责养护工作，混凝土终凝后2小时即开始养护，养护期不少于14天。

　　（1）地下室混凝土采取蓄水养护；楼板混凝土板表面必须覆盖二层草袋，并以每天浇水2～3次方式养护，或采取蓄水10cm深的方式养护。养护期内应保持混凝土内外温差不大于25℃。

　　（2）墙体养护一般可以延长模板的拆除时间3～5天，然后再派专人浇水养护。

　　三、结语

　　超长大面积混凝土必须严格按有关技术规范要求组织施工，分区浇灌为好。本工程施工时，本地的商品混凝土搅拌站还无法做限制膨胀率试验（该试验是在上海完成），所以应对与施工过程中监理如何控制混凝土限制膨胀率指标予以相当重视。

　　在实际设计、施工过程中，应把超长地下室混凝土的裂缝控制看作一个系统工程。不应该片面强调材料等单一因素的作用，而应把合理的材料选择与严密的设计方案、科学的混凝土配合比、严格施工组织和完善的工艺措施相结合，才能确保混凝土的施工质量，达到混凝土结构抗裂防水的目的。

　　参考文献：

　　[1]GB50007-2002，建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

　　[2]JGJ3-002，高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

　　[3]GB50011-001，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.