平潭高铁站站前广场综合体超大地下室结构设计与施工

吴 伟 刘 麒

1. 中铁一局集团有限公司 陕西 西安 710054；

2. 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海 200092

1 工程概况

项目位于福州市平潭县中楼乡海尾（韩厝村），总建筑面积为477 174.8 m2，其中地上建筑面积为147 944.16 m2，地下建筑面积为329 230.64 m2。项目功能包括长途客运站、乡村客运站、旅游服务中心、BRT公交车站、预留城际铁路区域、西广场景观绿化及两侧商业等。

建筑为地上4层，地下2层（部分区域1层）。坡屋面檐口高度19.60 m，地下室埋深约13.4 m。其中，地下室x向长度约为401 m，y向长度约为463 m，属于典型的超大地下室项目。

2 超大地下室存在的设计及施工难点

超大地下室意味着地下室由于面积大、尺寸长，当混凝土结构内部受拉应力超过混凝土材料本身的抗拉强度时，结构就会产生表面和内部的裂缝[1-2]。裂缝产生的过程可以归纳如下：

1）水泥水化产生的热量。混凝土中的主要材料为水泥，水泥在其水化过程中会产生大量的热量，这是大体积混凝土内部自身产生热量的主要原因。

2）构件约束条件。混凝土构件由于内部水泥水化升温发生膨胀，而当这种变形受到周边约束时便产生应力。当边界约束为理想约束的情况下，混凝土的变形应该是前后温差与混凝土材料线膨胀系数的乘积。而一旦结构内部应变超过混凝土材料本身的极限拉应变时，结构就通过开裂释放应力。

3）环境温度。混凝土浇筑时期外界的环境温度直接影响混凝土表面和内部的温度梯度。特别当浇筑后外界环境温度发生大幅降低时，混凝土构件的外层部分与内层部分产生较大的温度梯度，使得收缩变形加大。

在上述过程中，超大地下室的大体积混凝土构件（主要是地下室底板、外墙等）容易产生内应力，内应力过大就会出现裂缝。因此，如何应对超大地下室混凝土构件的内部应力以及随之产生的裂缝成为设计和施工中的主要难点。

3 超大地下室结构设计及构造措施

3.1 设计参数

本工程结构设计使用年限为50 a，耐久性设计年限为100 a，结构安全等级一级，基本风压1.30 kN/m2（50 a一遇），抗震设防类别为重点设防类，抗震设防烈度为7度（0.10g），地下室底板、外墙及顶板混凝土强度等级均为C35。

3.2 结构体系概述

本工程地下室不设置抗震缝。地上部分通过在2层设置6条抗震缝将整个结构分为7个一级结构单元。地下室为大底板结构，结构x向长度约为401 m，y向长度约为463 m。

本工程采用钢筋混凝土框架结构，结构三维模型如图1所示。

图1 结构三维模型

3.3 超大地下室结构设计

本项目由于地下室尺寸超大且不设伸缩缝，因此温差收缩效应显著，设计时需考虑温差收缩效应的影响。

3.3.1 设计计算温差取值

设计计算温差取值需要包括季节温差和混凝土收缩温差两部分。

季节温差的取值主要根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》而定，平潭地区的最低气温为4 ℃，最高气温为34 ℃，假设施工合拢温度为10～20 ℃。建筑通常有保温隔热措施，地下室顶板室外区域覆土厚度为2.5 m，设计中取外界环境温度为结构屋面外表面温度，而内部环境温度则取空调工作的常规温度（18～26 ℃）。结构构件温度取内外表面温度的平均值，经计算，季节温差取值如下：升温为20 K，降温为－9 K。

混凝土收缩当量温差取值主要应考虑混凝土收缩应变的产生和发展与混凝土浇筑龄期的相关性，可以采用如下公式表达：εs＝(1－е－0.01t)εs0。式中，εs0为混凝土材料极限收缩应变，εs为龄期t时混凝土材料的收缩应变值。混凝土收缩当量温差可表示为ΔTs＝－εs／α，其中α为混凝土材料的线膨胀系数，取1×10－5K－1，混凝土极限收缩应变值可取εs0＝400×10－6。

当合拢时长为60 d与120 d时，经计算，混凝土剩余收缩量产生的收缩当量温差分别为－22、－12 K。本工程选择控制施工合拢时长为120 d。

因此，设计计算温差的取值可以考虑在升温时期，混凝土自身膨胀主要对构件内力产生影响，但不会产生收缩裂缝，在裂缝控制分析时可仅将收缩温差计入负温差，设计计算温差的取值如表1所示。

表1 设计计算温差取值

由表1可见，在降温工况下，收缩温差所占比重比季节温差略大。

3.3.2 温差效应计算结果分析

本工程地下室结构裂缝控制等级为三级，对钢筋混凝土构件，按荷载效应的准永久组合并考虑长期作用影响计算，温度作用的准永久值系数取0.4。因此，为控制裂缝，考虑温度作用的荷载组合如下：1.00（恒载）+0.40（降温）。该组合下，地下1层和1层混凝土板考虑温差效应的楼板应力分析如图2所示。

图2 地下1层和1层混凝土板应力

经分析，在考虑温度作用的准永久组合下，混凝土板构件大部分区域的应力数值约为1 MPa，小于C35混凝土的抗拉强度标准值2.20 MPa。但在板的阴角部位、地下室外墙和其他墙体附近有约束的区域存在应力集中。地下室外墙考虑温差效应后典型区域的应力如图3所示。

图3 地下室外墙典型区域应力数值 （单位：MPa）

在考虑温度作用的准永久组合下，地下室外墙大部分区域的墙身水平应力小于C35混凝土的抗拉强度标准值，而应力集中区域为外墙与楼层及基础底板连接处。

3.3.3 解决温差收缩效应的措施

1）合理布置后浇带，控制间距为60～80 m，后浇带混凝土应在主体结构混凝土浇筑120 d后且温度较低时浇筑。后浇带范围内，梁筋贯通不断。

2）对局部产生应力集中的区域有针对性地加强楼板配筋，并在外墙与混凝土板连接处设置暗梁，加强暗梁水平贯通筋以分担此区域的水平温度应力；在楼板周边及洞口的阴角部位增设板面附加筋。

4 超大地下室的施工

本项目地下室底板厚度主要为700～1 000 mm。在施工时根据后浇带位置将筏板划分为117个块，每一块为一个独立的施工区段，每块浇筑体所需混凝土1 000 m3以上。因此，在施工过程中需要注意选用符合要求并有利于大体积混凝土施工的原材料，并采用合理的施工方案和有针对性的施工措施，以确保施工质量。

4.1 混凝土材料控制

1）减少单位水泥用量，优化水泥产品的使用。选用矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰水泥、复合水泥等具有较低水化热的水泥产品配制混凝土。

2）采用大级配钢筋混凝土，加大骨料粒径，降低单位水泥用量。根据使用后的工程经验，混凝土每加大一个级配等级可少用水泥约18 kg/m3，达到降低混凝土水化热温升约2 K的效果。

3）选用缓凝型高效减水剂达到减水率不低于20%的效果。掺入膨胀剂，使大体积混凝土结构在前14 d潮湿养护过程中利用混凝土的轻微膨胀性能，对混凝土早期由于失水收缩产生的裂缝进行补偿。

4）采用低坍落度混凝土，项目使用效果表明：坍落度每降低1 cm，可少用水泥约5.1 kg/m3，相应减少水化热温升约0.5 K。

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4.2 混凝土浇筑

混凝土浇筑时的坍落度应控制在16～20 cm。泵送过程中，停顿时间不大于30 min。大体积混凝土应尽量连续浇筑，采用斜向推进、分层浇筑的施工次序，每层厚度控制在500 mm左右。

大体积混凝土浇筑后分2次找平，同时立刻覆盖塑料薄膜。浇筑时要强化信息化施工，加强现场调度管理，防止施工冷缝。

4.3 大体积混凝土的泌水浮浆处理

大体积混凝土在浇筑时的泌水和浮浆现象相比普通混凝土更为严重，施工中需要采取相应的措施进行处理。混凝土浇筑时应统一由一个方向向另一个方向推进，使混凝土的泌水、浮浆流向统一，以利于混凝土浇筑时有组织地进行抽排。

混凝土浇筑前，提前将相应数量的潜水泵及配套的排水软管置于泌水流向的部位；应将污水泵置于混凝土表面或是浮浆较多的区域进行抽排。

4.4 混凝土养护

本工程地处福建平潭海边，并且地下室结构主要施工时间段为夏季，昼夜环境温差比较大。为保证大体积混凝土内部膨胀所需的水分，需要将混凝土内外温差控制在25 K以内。当混凝土浇筑完且表面刚能够站人时立即铺塑料薄膜，并同时铺设草席蓄水进行养护。养护重点部位应该为筏板和地下室外墙相交的位置。

在混凝土浇筑完后的12～48 h，混凝土构件内的水化热达到峰值，这时期混凝土养护的重点应是保证混凝土表面温度，以降低混凝土构件内外温差（图4）。

图4 大体积混凝土养护

4.5 混凝土测温

本工程底板混凝土一次性浇筑面积大且混凝土在较大截面范围内的硬化速度和散热条件存在差异。施工时应对混凝土构件内的温度进行监控，为混凝土的养护工作提供温度变化数据。本工程采用建筑电子测温仪进行测温，每支测温线可单独测量一个点位的混凝土内温度。

5 结语

本文主要阐述了超大地下室设计和施工中存在的相关工程问题和技术难点，并从施工全过程的受力模式、温度应力及裂缝产生原因等方面入手，有针对性地采用一系列结构设计措施和施工措施。

实践证明，所采取的措施在最大程度上解决了因地下室结构超大所带来的相关工程问题，可为类似工程项目提供一定的参考。