大体积混凝土施工期间变形的有限元分析

钟雪琳　李紫良

摘  要：合理的施工方案和科学分析是保证结构安全经济的重要手段。施工过程是一个伴随结构形态和受力状态不断变化的动态过程，施工荷载加载和后期徐变都大大影响结构的施工全过程。通过对我司参与的杭州地铁某停车场停车场按照施工顺序采用有限元分析，解决常规设计中忽略施工阶段对主体结构的影响，提出相关优化设计意见及施工控制措施、解决施工中常出现的质量通病。

关键词：混凝土;温度应力;徐变;收缩;设计优化;施工控制

中图分类号：TU37            文献标志码：A

1 工程概况

杭州地铁某停车场A区房屋长宽均大于100 m，为地上一层停车场库房，带上盖开发。主体建筑采用柱下钻孔灌注桩+承台基础;盖上区域为18层住宅，总高68.5 m，盖上住宅楼结构形式为剪力墙结构，在地上二层顶部进行梁式转换，一层结构形式为框架剪力墙结构，建立的整体模型如图1所示。上盖物开为预留，不在车辆段设计、施工范围。

A区大盖层设置四条通长后浇带分成9个区域，地梁后浇带对应上部位置设置。施工顺序有3步。1）阶段一：浇筑桩基承台、地梁（图2）。2）阶段二：阶段一后42 d 浇筑除后浇带外的二层大盖（图3）。3）阶段三：阶段一后45 d封闭后浇带（图4）。

由于大盖为上部物开转换层，与施工现场核对后，要求对大盖及地梁、承台进行验算、查验出温度应力影响下的最不利位置的应力、应变情况，以便于提前采取措施进行干预控制，将变形控制在允许范围内，减少裂缝出现。

科研组采用有限元对一层大盖进行施工阶段及一年内的混凝土收缩、徐变分析、按施工阶段分段进行模拟计算。

其中，桩基、连梁、柱、梁采用梁单元模拟，承台采用实体单元模拟，楼板采用板单元模拟。在实体单元与梁单元连接部位采用刚性连接来解决不同单元类型的连接问题，整体模型如图1所示。

该工程按升温15 ℃及降温15 ℃考虑环境温差，再考虑徐变效应后，按±9 ℃考虑环境温差[1]。

2 计算结果

2.1 位移结果

在考虑施工阶段作用下，该工程在考虑混凝土收缩情况下，收缩引起的变形为 施工阶段一 承台基础变形不足1 mm;施工阶段二（浇筑完成后第42天、后浇带封闭前） 收缩变形为1.2 mm; 施工阶段三（浇筑完成后300天） 施工及温度组合下上部结构徐变（徐变变形为33 mm、位置出现在角部及边缘应力较大处）在仅考虑施工过程引起的收缩情况下，该工程下部结构最大水平变形为3.71 mm，上部结构最大水平变形为4.51 mm。在考虑施工荷载及温度效应组合下，下部结构最大水平变形为4.52 mm，上部结构最大水平变形为11.03 mm。

2.2 应力结果

该工程在考虑混凝土收缩的情况下，收缩引起得混凝土最大应力结果最不利出现在图示桩顶位置处，该处承台达到43 m，在两侧与桩相接处出现最大应力，为1.25 MPa，均小于抗拉设计强度1.71 MPa。按照配合比根据大体积混凝土裂控相关计算[2]推导出的温度应力值显示：承台及桩基础连接部位能够满足从浇筑到第28天抗拉强度，不会在该阶段产生裂缝。

施工阶段二中后浇带尚未封闭，基础、承台、地梁应力基本同施工阶段一。施工阶段三，最不利出现在建筑物四周、尤其是4个角。桩基础最大应力为2.45 MPa，超出抗拉强度设计值。在施工阶段三，施工及温度组合下拉梁最大主应力云图（（MPa）最不利出现在2个大型承台间，该处承台长度达到43 m，在两侧与桩相接处由于温度作用产生的最大应力为2.04 MPa，最终合拢后应力为1.89 MPa，均大于C40混凝土抗拉设计强度1.71 MPa，显示该位置在后期后浇带合拢后在混凝土的收缩徐变作用下将会产生裂缝。

最不利出现在后浇带范围内，在温度荷载作用下最大应力为1.09 MPa，小于C40混凝土抗拉设计强度1.71 MPa。在施工荷载及温度组合下最大应力为后浇带及边跨基本都小于1.4 MPa，仅应力集中处达到2.4 MPa，超出受拉强度设计值。综上所述，在后浇带封闭后，大体量建筑物在施工荷载及混凝土温度荷载作用下引起的收缩情况有4个。1）桩基础大部分为压应力，但周边桩基础在荷载及温度作用下显示为受拉，其中4个角桩基础拉应力最大为3.5 MPa，超出规范1.7 MPa的要求。2）承台大部分应力小于1.7 MPa，与地梁相接处出现拉应力集中最大轴线应力为8.6 MPa，超出规范要求。3）承台拉梁大部分应力小于1.7 MPa，仅个别位置最大轴向应力为2.04 MPa。4）上部结构楼板主拉应力基本小于1.7 MPa，但在柱与剪力墙阴角相交处的楼板出现应力集中区域，最大轴向应力为2.4 MPa。

3 原因分析

温度荷载对水平构件的轴力起控制作用;大体量建筑物当长宽超出规范要求时，从桩基、承台与拉梁相接处、较大承台间的拉梁、上部板与柱子交接处均会出现不同应力超设计强度的情况;程度在一定时间内随龄期的增加而发展。设计和施工应该尽量减少应力集中的情况出现。尤其是在分析过程中与对应各龄期内的混凝土抗拉强度进行实时比对，判断计算结果是否满足满足要求，有5点建议。1）设计时宜将大承台分隔为较小的单元。2）承台周边及四角桩基础均应按照抗拔桩进行设计。3）横向地基拉梁不宜贯通，大承台侧建议取消拉梁。4）大体积混凝土应当适度延长后浇带的封闭时间。5）剪力墙与柱阴角相交处的板上下均应采用附加钢筋网，并加强后期养护。

4 施工阶段重点控制措施

工程施工阶段前期对照计算结果，配合设计院进行重点区域的优化设计，建议在应力较大的横向地梁中部增设沉降缝;并结合应力云图，对超大承台、后浇带、剪力墙与柱阴角相交处结构等予以重点控制，通过拉长流水施工周期和时间间隔，预留足够的应力发散和形变时间，加强构造配筋和温控措施，优化混凝土配比及浇筑顺序，重点区域单独验收并安排专人观测及养护，减少了结构裂缝的产生。

建筑物从施工开始直至施工完成1～2年，大体量的混凝土构件受温度、徐变、材料和相关荷载的影响，混凝土的抗拉强度会呈现动态变化，导致产生裂缝、出现质量通病。一直以来，施工、设计工程师们认真查验的量化数据，以便于很好地控制。通过建立模型、实时模拟施工阶段和使用阶段的受力情况，查验混凝土在收缩、徐变及强度的变化影响下的应力分析及变形情况，根据计算结果对照采取措施，避免产生质量通病。

参考文献

[1]翁志海，徐才华.大体积混凝土抗裂措施浅析[J].建材與装饰，2020（16）：1-2，4.

[2]江正荣.建筑施工计算手册（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2018：603-619.