近年来, 随着经济的发展和人口的集中, 许多城市着力建设大型商业综合体项目。该类工程通常由多幢高层、超高层主裙连体建筑及大底盘多层地下空间组成, 形成超长超大地下空间结构。而一般现浇的超长结构容易出现由温差和混凝土收缩产生温度应力引起的结构裂缝, 以往一般的处理方法是设伸缩缝。但对于地下室结构, 设伸缩缝给其防水带来了巨大的隐患, 也增加了建筑布局和使用上的困难。但不设缝后的整个结构成为一个统一整体, 在温度作用下, 由于结构本身外部或内部的约束, 再加上结构尺寸很大, 当由此产生的温度变形被结构的内、外约束阻碍时, 会产生相当大的温差应力, 对结构造成十分不利的影响。

　　 本文根据文献[1]混凝土收缩当量温差计算公式, 利用有限元方法对结构的温度应力问题进行较为细致的模拟分析, 并采用MIDAS Gen和YJK两个软件进行对比分析, 根据计算结果对柱、梁、板、墙进行设计, 考虑到超长结构受力的复杂性和裂缝产生原因的多样性, 在定量分析的基础上, 又采取了合理设置后浇带、采用补偿收缩混凝土以及在环境温差、材料、混凝土技术和施工方面做好控制等加强措施, 实现无缝设计。

　　 苏州中心广场项目位于苏州工业园区湖西CBD核心区域, 北临苏绣路, 南到苏惠路, 西起星阳街, 东至星港街, 该项目地块面积约20.9万m², 地上总建筑面积约73万m², 地下总建筑面积约40万m²。主要建筑划分为A, B, C, D, E, H, P, Q, J九个地块 (F, G地块为独立地块, 另行开发;P, Q地块为3层纯地下室) 。其中A, B, C地块为大型商业建筑 (除5#, 6#塔楼) , 地下三层, 地上六层, 5#, 6#塔楼为高约100m办公建筑;D, E地块以酒店、公寓为主要业态, 地下三层, 裙房地上三层, 7#塔楼为高约150m的酒店建筑, 8#塔楼为高约180m的公寓建筑, 9#塔楼为高约200m的公寓建筑;H地块以商业、办公为主要业态, 地下四层, 商业裙房地上四层, 3#塔楼为高约150m的办公建筑, 4#塔楼为高约125m的办公建筑, 整体效果图如图1所示。

　　 本工程地下室分为南北两个大地下室, 北地下室长度方向约380m, 宽度方向约360m, 占地面积约6.67万m²;南地下室长度方向约360m, 宽度方向约290m, 占地面积约6.19万m²;地下三层区域开挖深度约16m, 地下四层区域开挖深度约20m, 南区地下室典型剖面见图2, 是施工时国内整体开发规模最大的地下空间。工程基坑采用顺作法施工, 地下四层以及邻近地铁区域采用厚1m、深42～48m地下连续墙, 其余区域采用厚0.8m、深30～48m地下连续墙, 地下四层区域临时分隔墙以及地铁侧条形基坑区域临时分隔墙采用地下连续墙, 基坑内部其他临时分隔墙采用钻孔灌注桩, 地下室的分区及南北分区施工顺序见图3。

　　 本工程由多幢高层、超高层主裙连体建筑及大底盘多层地下空间组成, 由于结构形式及荷载分布等方面的不同, 这类基础的内力和沉降差异更为复杂。采用变刚度调平设计进行布桩, 塔楼采用直径0.8～1m桩端后灌浆混凝土灌注长桩, 裙房和地下室采用直径0.7m混凝土灌注短桩, 并通过合理设置沉降后浇带, 使整体沉降和差异沉降均控制在规范允许的范围内, 大大减少了筏板的应力和配筋^[6]。3#, 7#塔楼底板厚2.8m, 4#塔楼底板厚2.4m, 5#, 6#塔楼底板厚2.1m, 8#, 9#塔楼底板厚3.5m, H地块地下室四层地下室底板厚1.3m, 其余区域地下室底板均为1.0m。地下室中板以0.15m厚为主, 顶板以0.18m和0.25m为主, 地下室底板、中板和顶板混凝土强度等级均为C35。

　　 本工程地下室外墙采用地下连续墙两墙合一方案, 根据建筑功能的防水要求和地铁的保护要求, 在1号线地铁侧采用地下连续墙+防水层+600mm厚混凝土内墙的复合墙方式 (图4) , 以消除渗漏水对地铁的长期影响, 其余区域采用地下连续墙+排水沟+200mm厚内部装饰砖墙的方式 (图5) 。地铁区域地墙各槽段之间采用H型钢接头, 非地铁区域地墙各槽段之间采用圆形锁口管接头, 地下连续墙墙体接缝处内侧设置结构壁柱以增强接头的止水抗渗性能, 槽段内设置插筋与结构壁柱连接。地下连续墙与地下室底板通过钢筋直螺纹接驳器连接, 通过预埋插筋与地下各楼层楼板环梁和梁板连接, 见图6, 顶板通过压顶圈梁及圈梁上的预埋插筋连接。两墙合一方案中的地下连续墙刚度大, 整体性好, 抗渗能力强^[2], 也避免了地下室外墙浇筑施工和使用过程中混凝土的收缩裂缝问题。

　　 根据《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[3]8.1.3条, 当伸缩缝间距比规范表8.1.1增大较多时, 尚应考虑温度变化和混凝土收缩对结构的影响。以下将模拟苏州地区的最不利温度工况, 并考虑混凝土徐变、界面裂缝以及覆土深度对温度应力的折减, 就温度荷载对钢筋混凝土结构内力和配筋结果的影响进行分析。

　　 苏州位于北亚热带湿润季风气候区, 根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[4]附录E, 苏州夏季室外最高月平均气温为36℃, 冬季室外月平均气温为-5℃。室内温度计算取值:正常工作情况 (有空调) 夏季为26℃, 冬季为18℃;非正常工作情况 (无空调) 夏季为30℃, 冬季为5℃。结构混凝土合拢温度 (终凝) 取10～20℃, 应避免在夏季混凝土合拢, 冬季的混凝土合拢温度为10℃, 春秋季的混凝土终凝温度为20℃。

　　 混凝土收缩应变的形成和发展与混凝土的龄期密切相关, 根据文献[1]中的相关计算方法, 任意时间的收缩公式为:

　　 $\epsilon {}_{\text{y}}(t)=\epsilon {}_{\text{y}}^0{\rm M}{}_1{\rm M}{}_2\cdots {\rm M}{}_n(1-\text{e}{}^{-0.01t})(1)$

　　 式中:ε_y (t) 为任意时间的收缩;t为时间, d;ε⁰_y为标准状态下的极限收缩, ε⁰_y=3.24×10^-4;M_i (i=1, 2, …, n) 为各种修正系数。

　　 混凝土收缩的应变量可等同于混凝土在一定负温差下产生的收缩应变量, 混凝土温差应变ε_T为:

　　 $\epsilon {}_{\text{Τ}}=\alpha {\rm T}(2)$

　　 式中:α为混凝土线膨胀系数, α=1×10^-5/℃;T为温度。

　　 结合本工程, 各修正系数的取值和混凝土收缩应变的当量温差计算见表1, 2。

　　 设计气象温差有三种^[5]:1) 日照温差:太阳辐射昼夜温度变化 (或称昼夜温差) , 属于较短时间内的温度变化;2) 季节温差:夏季最高温度和冬季最低温度之差, 经历一年时间温度变化;3) 骤变温差:主要指气温骤降和骤升产生的温差, 如突遇冷空气侵袭或高温天气。通常季节温差比日照温差大, 考虑到现在极端天气产生的概率大大增加且持续时间较长, 温度计算只需考虑季节温差和骤变温差, 苏州地区冬季极端最低气温平均值为-7℃, 夏季极端最高气温平均值为39℃。

　　 正常使用阶段构件的计算温度依据线性分布法确定, 外围构件 (屋盖及外墙) 的计算温度T_中等于构件内外表面温度的平均值, 在季节和骤变温差下构件温度见表3。

　　 计算温度最不利工况等于构件计算温度T_中与混凝土终凝温度T_凝之差, 具体计算见表4, 5。

　　 混凝土徐变对超长混凝土结构的温度应力影响很大, 由于徐变的存在导致混凝土结构应力的释放和降低。文献[1]建议根据温差变化快慢程度, 应力松弛系数取0.3～0.5。

　　 在温度荷载作用下, 需考虑构件界面微裂缝的影响, 因此应对混凝土构件截面弹性刚度进行折减, 根据相关研究建议, 折减系数可取0.50～0.85。

　　 综合以上两因素, 综合折减系数取0.3。

　　 计算温差应为骤变温差与混凝土收缩当量温差相减, 再考虑综合折减系数的影响, 构件的计算温差见表6。

　　 采用MIDAS Gen和YJK软件分别对南北地下室进行有限元分析。因降温工况混凝土受拉更为不利, 本文以南地下室有限元分析为例, 分别列出两个软件对于各层中板施加-6.2℃的单元温度差, 顶板施加-8.0℃的单元温度差的应力对比图, 见图7～9, 并以地下一层同一位置列出两个软件的具体应力大小对比图, 见图10。计算结果表明两个软件分析结果基本相同, 地下室顶板和地下一层和二层大部分应力均在3.1MPa以下, MIDAS应力计算结果略大于YJK, 特别是在外墙阳角、阴角及洞口周边角部表现更为明显, 地下室顶板应力最大, 地下一层、地下二层楼板逐层减少。对本项目配筋时采用MIDAS计算结果。

　　 根据图7～10的计算结果, 扣除混凝土的轴心抗拉强度设计值, 再进行板配筋计算, 计算公式为:

　　 $A{}_{\text{s}}=\frac{(\sigma {}_{\max }-f{}_{\text{t}})\times 1000\times t}{2f{}_{\text{y}}}(3)$

　　 式中:A_s为考虑温度变化和混凝土收缩的每米宽板的单层配筋量, mm²;σ_max为有限元软件计算的板单元的最大主拉应力, N/mm²;f_t为混凝土轴心抗拉强度设计值, N/mm²;t为板厚, mm;f_y为抗拉钢筋的强度设计值, N/mm²。

　　 本项目地下室梁板采用C35混凝土, 钢筋采用HRB400。以地下一层楼板的应力值为例, 应力值大部分在3.1MPa以下, 采用双层双向■8@150钢筋拉通, 既满足3.1MPa以下温度应力要求, 又满足板构造钢筋的要求, 板在重力荷载下的受力钢筋和其他大于3.1MPa温度钢筋的差值采用板顶和板底附加钢筋的形式。在升温和降温的温度应力作用下, 不仅会对地下室板产生拉压应力, 同样也会对梁产生拉压应力, 对柱、墙产生附加弯距, 同板一样, 本项目在设计时也考虑温度应力对柱、梁、墙的影响。

　　 考虑到超长超大地下室结构受力的复杂性和裂缝产生原因的多样性, 在定量分析的基础上采取以下措施:

　　 (1) 对超长超大结构进行温度计算, 计算出结构在最大温差作用下产生的结构内力, 根据温度计算结果, 对有较大孔洞、转角、截面突变、有剪力墙等有较大温度应力部位进行针对性加强, 加强超长方向框架梁和多跨连续次梁两侧构造腰筋的配筋量, 并按受拉进行锚固。

　　 (2) 采用补偿收缩混凝土技术, 即在普通混凝土中掺合一定比例的微膨胀剂。由于微膨胀混凝土具有的膨胀性能, 混凝土在膨胀时受到钢筋的约束而在钢筋混凝土中建立了混凝土受压、钢筋受拉的预应力状态, 从而有效地防止或减少裂缝的产生。本工程控制地下室水中养护14d后的混凝土限制膨胀率不应小于0.03%。

　　 (3) 除各塔楼周边设置沉降后浇带和地下室开挖分区的分坑墙外 (图3) , 每隔40m左右设置温度后浇带以释放混凝土早期温度应力和施工时的水化热, 后浇带均采用高一强度等级的微膨胀混凝土, 温度后浇带在两个月后封闭, 沉降后浇带应在塔楼主体封顶两个月后封闭, 并应尽可能在低温季节浇筑, 且控制合拢温度不得超过20℃。

　　 (4) 本工程为双向超长超大地下室结构, 为减少施工阶段混凝土收缩裂缝及正常使用阶段的开裂, 在混凝土中掺入聚丙烯纤维和抗裂防水剂, 地下室底板、外墙、顶板掺聚丙烯晴纤维1.2kg/m³, 中板掺聚丙烯晴纤维1.0kg/m³, 抗裂防水剂掺量为混凝土胶凝材料的8%。

　　 (5) 加强施工管理, 控制混凝土的内外温差总降温差及混凝土入模温度, 切实做好混凝土养护工作, 混凝土养护应采用蓄水养护、湿麻袋覆盖养护或塑料薄膜覆盖养护。

　　 (6) 通过充分振捣, 确保混凝土振捣密实和均匀性, 排除可能因泌水在粗骨料及钢筋周围产生的水分和空隙。加强压实赶光力度, 尽量采用两次收头, 增加密实度, 提高混凝土与钢筋之间的握裹力, 从而提高混凝土的抗裂性能。

　　 本工程从2012年5月开始施工至今, 地下室结构已全部完成, 期间经历了多次升降温, 均未发现结构出现明显的开裂情况, 这也说明对超长超大地下室结构进行温度计算是很有必要的, 采取地下室裂缝控制措施是有效的。

　　 如何计算超长超大结构的温度荷载, 控制超长超大结构的裂缝, 一直是结构设计面临的一个难题, 本文对此进行了有益的探索, 希望本工程具体的温度计算和裂缝控制措施能对将来类似工程的设计提供一些有益的参考。