馮啟隆

（山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030600）

0 前言

在城市化建設(shè)進(jìn)程朝著更快速度變化更新的背景下，大眾關(guān)于現(xiàn)代建筑空間結(jié)構(gòu)多樣性、功能復(fù)合性的需求也不斷提升，集娛樂、購物、住宿為一體的主裙樓建筑結(jié)構(gòu)大受關(guān)注。而前者不可避免地會(huì)受到結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基的共同作用，進(jìn)而出現(xiàn)力學(xué)性能的良性或者惡性變化?；诖耍怨餐饔脼楸尘?，以主裙樓建筑沉降后澆帶為對(duì)象，研究其封閉后反力性能、封閉時(shí)機(jī)就具有非常重要的意義。

1 共同作用和后澆帶的概述

1.1 共同作用的概述

共同作用就是指將基礎(chǔ)、高層建筑、地基（含樁）視為一個(gè)整體，在滿足這個(gè)整體接觸部位變形協(xié)調(diào)條件的基礎(chǔ)上，地基（墊層下面承受基礎(chǔ)重量的土壤）、基礎(chǔ)（墊層上方、梁墻或柱下方）與建筑上部結(jié)構(gòu)（基礎(chǔ)以上的結(jié)構(gòu)）的內(nèi)部聯(lián)系表現(xiàn)[1]。其可以將建筑的全部荷載穩(wěn)定有序地傳遞到墊層下面的部分，為變形、內(nèi)力分析提供依據(jù)。在高層建筑中，建筑與地基基礎(chǔ)共同作用涉及了建筑箱形基礎(chǔ)與地基共同作用、建筑筏形基礎(chǔ)與地基共同作用、建筑樁筏基礎(chǔ)與地基協(xié)同作用、建筑樁箱與地基協(xié)同作用等。共同作用分析與實(shí)際工程契合度較高，計(jì)算結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果偏差不大[2]。

1.2 后澆帶的概述

后澆帶（post-cast strip）就是為了適應(yīng)現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)各部分沉降量不相同、水泥與砂石以及水的比例混合物由大變小、環(huán)境空氣溫度驟然變化等因素，在包括基礎(chǔ)底板的板端承受外力及重量構(gòu)造、梁端承受外力及重量構(gòu)造、墻端承受外力及重量構(gòu)造適當(dāng)位置中預(yù)留的水泥與砂石以及水的比例混合物帶，其具有一定寬度，且需要間隔一段時(shí)間（構(gòu)件內(nèi)部收縮）再進(jìn)行澆筑[3]。一般在氣候溫度處于較低水平時(shí)，可以選擇直接澆筑強(qiáng)度等級(jí)高于構(gòu)件一個(gè)級(jí)別水泥混凝土，或者澆筑摻加少量鋁粉的水泥，防控后澆帶周邊出現(xiàn)裂縫等薄弱部位。

后澆帶需要以臨時(shí)施工縫的方式留設(shè)。通過臨時(shí)施工縫，將建筑承受外力及重量構(gòu)造暫時(shí)性地進(jìn)行若干部分劃分。進(jìn)而經(jīng)過再澆筑振搗，解決承受外力及重量構(gòu)造溫度作用力、高低層差異下沉陷落應(yīng)力等導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)安全、防水質(zhì)量不良轉(zhuǎn)變問題[4]。

2 考慮共同作用下主裙樓建筑后澆帶力學(xué)性能和封閉時(shí)機(jī)

2.1 案例分析

G 高層建筑建設(shè)面積為18562.00m2，主樓21 層，高78.18m，裙樓6 層，高27.00m，地下2 層，房屋長(zhǎng)61.80m，根據(jù)GB50666 的相關(guān)要求，需要進(jìn)行混凝土收縮縫、溫度縫的設(shè)置。主樓下基礎(chǔ)為梁板式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)梁尺寸為1350.00mmx2756.00mm，筏板厚度為 1.00m；裙房下基礎(chǔ)梁尺寸為1150.00mmx1580.00mm，筏板厚度為0.60m。擬建建筑基底直接持力層為重粉質(zhì)粘土－黏土+局部砂質(zhì)粉土，直接持力層下為中低壓縮性重粉質(zhì)粘土、第四紀(jì)粉質(zhì)細(xì)中砂以及卵石。經(jīng)過分析，該建筑墊層下面承受基礎(chǔ)重量的土壤可以不選擇人為構(gòu)筑物，但主樓、裙樓間差異下沉陷落量仍然與要求存在較大偏差，因此，需進(jìn)行下沉陷落后澆縫的恰當(dāng)規(guī)劃設(shè)想[5]。但從建筑使用功能、立面造型方面進(jìn)行分析，后澆縫、溫度縫、收縮縫設(shè)置難度較大，且可行性不高。為避免上述問題出現(xiàn)，可以事先擬定寬度為1000.00mm 后澆帶設(shè)置方案。即選擇G 高層建筑內(nèi)力處于較小的部位，經(jīng)主樓、裙樓連接跨，從地下室底板、4 層裙樓頂梁以及板的三分之一跨部位向外延伸7.Z/3=2.40m。同時(shí)在主裙樓連接跨范圍內(nèi)，分別進(jìn)行網(wǎng)筋、梁板鋼筋的斷開、加強(qiáng)處理，同時(shí)在板位置進(jìn)行雙層鋼筋設(shè)置；對(duì)于地下室底板，為了保證底板后澆帶工程作業(yè)開展期間地下室土方回填作業(yè)無故障開展，可以在地下室外墻位置進(jìn)行后澆帶的恰當(dāng)設(shè)置。

鑒于該主裙樓建筑后澆帶需要承擔(dān)溫度縫、伸縮縫、沉降縫的作用，高層部分沉降程度與高低層沉降差異成反比。因此，在高低層主體承重下沉陷落構(gòu)全部工程無遺漏作業(yè)后，且具體沉降觀測(cè)結(jié)果與規(guī)范無較大差異時(shí)，可以進(jìn)行后澆帶混凝土的澆筑。

2.2 考慮共同作用下主裙樓建筑后澆帶力學(xué)性能和封閉時(shí)機(jī)數(shù)值模擬

在ANSYS 軟件內(nèi)，進(jìn)行G 高層建筑共同作用后澆帶模型建立。對(duì)于筏板基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)以及地基土，分別依據(jù)線彈性材料、理想彈塑性材料考慮，并在Drucker-Prager 內(nèi)進(jìn)行模型構(gòu)建。同時(shí)采取solid65 單元、shell81 單元、shell63 單元、beam181 單元，進(jìn)行地基、筏板基礎(chǔ)與后澆帶、樓板及核心筒、梁與柱部位模擬。考慮到地基范圍處于一個(gè)較大的數(shù)值，除了采取共結(jié)點(diǎn)連接地基、地下室外，還可以在地基以上截取部分（水平方向從基礎(chǔ)邊緣向外散射狀放寬三倍基礎(chǔ)寬度，深度方向取兩倍基礎(chǔ)寬度）開展區(qū)域邊界位置移動(dòng)接近于0 的計(jì)算。

具體模擬時(shí)，需要從主裙樓工程實(shí)施作業(yè)順序入手，在主裙樓內(nèi)設(shè)置b1（裙樓）、b2（裙樓）、p1（主樓）、p2（主樓）四個(gè)點(diǎn)，并提取ANSYS 軟件內(nèi)自帶的基礎(chǔ)沉降核算參數(shù)，經(jīng)單元生死技術(shù)“殺死”沒有建設(shè)的單元部分后順序于不同狀態(tài)下激活，為對(duì)比分析提供依據(jù)。

①為正常作業(yè)程序，具體為地下室→前兩層或一層裙房、主樓→后兩層或四層裙房、主樓→十層主樓→十五層主樓→封頂。

②為設(shè)計(jì)施工步驟，具體位置兩層地下室→十層主樓→兩層裙房→后兩層裙房→十五層主樓→封頂。

③為地下室→十層主樓→十五層主樓→封底→前兩層裙房→裙房封頂。

在①工況下，裙房位置沉降發(fā)展較為平和緩慢，無較大波動(dòng)，這主要是由于地基為承載力較高的軟巖，不會(huì)對(duì)主樓、裙房沉降造成過大影響。而在主樓施工作業(yè)不斷深入進(jìn)程中，主樓位置荷載也持續(xù)增加，造成了日益加劇的沉降，致使主樓、裙樓之間差異持續(xù)擴(kuò)大至封頂；而在②下，十層主樓建設(shè)時(shí)刻裙房沉降被首次激活，且在整個(gè)工程建設(shè)階段沉降處于一個(gè)較低的水平，且整體變化具有緩慢性、勻稱性。但是在主樓工程建設(shè)期間開展裙房建設(shè)，無法保證主樓、裙房沉降發(fā)展速率趨于一致，且兩者間沉降差異處于在不間斷增加狀態(tài)。進(jìn)而導(dǎo)致沉降后澆帶封閉前期（或整個(gè)建筑施工作業(yè)完成前）獨(dú)立完成多數(shù)主樓沉降，主樓與裙樓之間的不均勻沉降差值也形成一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，引發(fā)后澆帶封閉時(shí)機(jī)前移；而工況③倒數(shù)第三個(gè)步驟為主樓施工作業(yè)提前完成后開展裙房工程建設(shè)，在裙房工程建設(shè)的同時(shí)促使主樓以一個(gè)較小的速度進(jìn)行沉降釋放。在該施工順序下，主樓、裙房沉降差異發(fā)展速度處于一個(gè)最小的水平，主樓、裙房沉降差異也沒有呈現(xiàn)繼續(xù)擴(kuò)大態(tài)勢(shì)，保證工程建設(shè)期間G 高層建筑整體沉降的大體完成。因此，可以選擇③作為G高層建筑后澆帶操作順序。

在G 高層建筑后澆帶操作順序確定后，可以在結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基作用下，以后澆帶設(shè)置在主樓裙房第一跨為前提條件，進(jìn)行后澆帶封閉時(shí)間的研究。即對(duì)比G 高層建筑主裙樓后澆帶封閉前期、封閉后期工況差異，經(jīng)單元生死技術(shù)，先后開展工程建設(shè)階段不封閉后澆帶并讀取裙房主樓沉降（含基底反力）、工程建設(shè)階段封閉后澆帶并在中途記錄主樓裙房沉降（含基底反力）。

表2 中①、②、③后澆帶封閉時(shí)機(jī)分別為未施工裙房并在主樓施工完畢后、封頂后、施工前兩層裙房并在主樓施工完畢后。由表2 可知，更改順序后，主樓與裙樓沉降差隨施工作業(yè)推進(jìn)發(fā)展態(tài)勢(shì)趨緩，且隨著后澆帶封閉時(shí)間的推移，主樓向裙房擴(kuò)散載荷、兩者的沉降差均朝著更小的水平發(fā)展。同時(shí)由于沉降后澆帶封閉前期，后澆帶周邊地基承擔(dān)著主樓荷載，經(jīng)基礎(chǔ)獲得的有效擴(kuò)散渠道受阻，致使主樓沉降處于一個(gè)迅速變化的態(tài)勢(shì)。若后澆帶封閉時(shí)間過分推遲，就會(huì)給主樓荷載擴(kuò)散造成一個(gè)阻滯力，誘發(fā)主樓沉降數(shù)值的擴(kuò)散。因此，應(yīng)結(jié)合GB50007 關(guān)于高層建筑沉降差允許值應(yīng)為0.002～0.003L（柱距）的標(biāo)準(zhǔn)，在①時(shí)可以進(jìn)行后澆帶封閉。

表2 后澆帶沉降及基底反力（平均）

3 結(jié)束語

綜上所述，上部結(jié)構(gòu)通過基礎(chǔ)、墻、柱連接，基礎(chǔ)底面、地基相接觸，形成了一個(gè)環(huán)環(huán)相扣的體系。在體系各模塊接觸位置，不單單傳遞著荷載，而且進(jìn)行了相互作用、約束。通過沉降后澆帶代替沉降縫、溫度縫、收縮縫，可以在約束主樓、裙樓間沉降差異形變的同時(shí)，釋放初期混凝土水化、后期混凝土收縮引發(fā)的形狀變化，避免裂縫等薄弱部位的形成。同時(shí)設(shè)計(jì)人員可以在ANSYS 軟件內(nèi)，以擬設(shè)后澆帶的主裙樓建筑為單元，開展上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基共同作用過程模擬。從封閉后澆帶前后階段入手，結(jié)合理論計(jì)算、實(shí)際沉降觀測(cè)記錄，選擇最佳封閉時(shí)機(jī)。