后澆帶水平傳力構件優化設計分析

周海軍

(中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

為解決超高層建筑和裙房之間存在的沉降差，以及防止由于混凝土面積過大，結構因溫度變化導致混凝土收縮開裂，需設置沉降后澆帶、溫度后澆帶及伸縮后澆帶[1]。

現階段對于后澆帶的研究多集中于設計、施工及封閉時機方面。井輪[2]對建筑施工中后澆帶的作用和施工技術進行了詳細闡述；魯宇平[3]重點介紹后澆帶對鋼屋架施工的影響，并結合工程實際和模擬計算，提出釋放梁端約束的方法及釋放約束后所采取的臨時加固措施；唐長領[4]結合實際工程介紹了超高層建筑裙樓和塔樓之間，型鋼轉換梁跨越沉降后澆帶施工技術；蘇海明等[5]結合實際工程，對整體結構和局部構件進行有限元模擬，并對半封閉式后澆帶進行優化設計。在后澆帶設計方面，余鈺等[6]依托一超長抗震結構，設計了三種后澆帶設置方案，并通過施工期間混凝土成型收縮非線性時程分析驗證三種方案的可行性；郭高貴[7]等以長江中下游平原河網地區軟基倒T形混凝土結構為研究對象，通過有限元模擬研究該結構后澆帶設置最優間距；李國勝[8]通過對收縮后澆帶和沉降后澆帶的深入探討，解決了后澆帶在設置中的幾個關鍵問題；方濤[9]以某高層框架剪力墻結構為例，探討高層建筑中超長鋼筋混凝土結構的后澆帶設計與施工問題。針對后澆帶封閉時機，竇遠明等[10]利用ANSYS建立結構整體模型，模擬不同施工工序及后澆帶封閉情況，研究主裙樓建筑后澆帶最佳封閉時機；趙楠等[11]對高層建筑停止降水與沉降后澆帶封閉時間進行了探討；邸道懷等[12]通過實際工程結合沉降計算方法，提出了沉降后澆帶封閉原則。

后澆帶內設置水平傳力構件，國內已有工程實例采用，同時針對構件設計不同形式發明了多個專利。但對于研究水平構件抵抗結構外部荷載變形規律的文獻很少，鑒于此，本文結合有限元軟件，同時考慮混凝土早齡期不同時間點彈性模量和抗壓強度變化，研究在不同混凝土齡期下水平傳力構件合適的支護形式，以期為相關工程提供參考。

2 后澆帶水平傳力構件及有限元模型

2.1 構件原理

依據各種規定及實際情況，后澆帶補澆時間各不相同，從十幾天到幾十天不等。此段時間整個結構處于不完整狀態，導致遭受外部荷載時結構內部傳力不理想，因受力不均致使結構產生側向位移。在后澆帶之間連接不同形式的構件，將后澆帶兩側的梁或板連接在一起，形成整體受力結構，在不減少后澆帶數量的情況下，降低整體結構水平位移，使結構受力更加合理，其原理如圖1所示。

2.2 有限元模型建立

本文采用ABAQUS軟件建立模型，通過數值分析確定后澆帶水平傳力構件布置方案。以西安綠地絲路全球文化中心項目為工程背景，在確定支護形式時考慮型鋼截面形狀、連接形式和布設間距三個因素。選取截面形狀為H形、方形和圓形，基于主體結構為梁板結構，參照梁截面尺寸，選取傳力構件的截面尺寸。H型鋼:截面尺寸為H400×400×13×21 mm；方鋼管:截面尺寸為口400×400×20×20 mm；圓鋼管:截面尺寸為?400×20 mm。H型鋼布置剖面如圖2所示。連接形式一般采用焊接連接和錨固連接，錨固連接方式如圖3所示。一般在梁之間布設傳力構件，構件之間的間距即為梁間距。傳力構件屈服強度為330 MPa。

建立數值模型需考慮以下幾點因素:(1)主體結構混凝土采用實體單元，采用混凝土塑性損傷模型；(2)鋼材采用實體單元彈塑性模型，不考慮焊縫、焊接殘余應力對結構的影響；(3)由于模型主要考慮傳力構件對結構水平位移的影響，暫不考慮結構內鋼筋作用。數值計算模型及網格劃分如圖4所示。

3 混凝土彈性模量及抗壓強度試驗

3.1 原材料

水泥采用42.5號普通硅酸鹽水泥，粗骨料采用陜西富平生產的碎石，級配為5～25 mm連續粒級，壓碎指標8% ～9%，細骨料采用水洗砂，細度為3.2，含泥量為5.6%，含石量5%。

3.2 試驗方案

依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，選取邊長為150 mm的立方體試塊用于抗壓強度試驗，選取邊長150×150×300 mm的棱柱體試件用于靜力受壓彈性模量試驗。試件按齡期分為5 d、7 d、8 d、10 d、12 d、14 d和28 d共7組，每組設置6個試件，并對試塊進行標準養護。試驗儀器選用混凝土壓力試驗機，如圖5所示。

3.3 試驗結果

彈性模量和抗壓強度實測值(均值)如表1所示。

表1 C40混凝土彈性模量和抗壓強度實測值

4 計算結果分析

根據計算結果，不同齡期下進行土體回填時結構位移如表2所示。位移折減系數為有支護構件下的結構位移與無支護構件下的結構位移比值，該比值越小表明支護結構抵抗結構位移的效果越好。

表2 結構位移及折減系數

續表2

由表2可知，在無支護構件條件下，結構位移隨混凝土澆筑天數增加而減小，在混凝土澆筑5 d時結構位移較大，從第8天開始結構位移逐漸減少，且不同位移之間差值也隨之變小，表明從此時間段開始混凝土由于強度增加已經可以抵抗部分回填土壓力。無支護條件下各時間段結構位移如圖6所示。

在有支護構件情況下，混凝土構件形式-結構位移如圖7所示(橫坐標上H、Y、F分別表示構件截面形式為H形、圓形和方形；圖例中的“1”表示焊接連接，“2”表示錨固連接)。通過觀察可以發現，錨固連接效果優于焊接連接。對于錨固連接，當混凝土澆筑5 d時，圓形構件截面抵抗結構位移效果最差；隨混凝土強度增加，無論構件截面選用何種形狀，其效果基本相同。對于焊接連接，無論混凝土強度如何變化，方形截面支護效果最好，H形截面支護效果最差。

5 結構變形監測

各工程所在地地質條件不同，地下結構設計、基礎埋深亦會不同，即使后澆帶采用相同方案布置水平傳力構件，對抵抗結構變形的效果也各不相同。在施工現場進行實時監測，可以隨時掌握結構外側土壓力變化及結構變形，并將監測結果與計算結果相對比，以判斷設計方案的合理性[13-15]。

依據數值模擬結果，結構后澆帶處所設置的臨時支撐采用方形截面＋錨固連接時對抵抗結構的水平位移效果最好。實際結構采用相同連接形式，并在擋土墻中心位置布設位移傳感器，其監測結果與模擬結果如表3、圖8所示。

表3 模擬與監測結構位移對比

續表3

6 結論

通過試驗得出C40混凝土在不同齡期下的彈性模量及抗壓強度值，并基于ABAQUS有限元軟件建立設有水平傳力構件的地下室結構模型，研究混凝土不同齡期下進行土體回填時，不同形式的構件抵抗結構水平位移的效果。

(1)在混凝土澆筑完成早期階段，結構在外力作用下水平位移較大，隨著混凝土強度增加，特別是在混凝土澆筑完成8 d后，結構水平位移逐漸減小并趨于28 d齡期下的結構位移，且不同齡期下對應的結構水平位移相差不多。

(2)在后澆帶內設置水平傳力構件，對于抵抗結構水平位移效果顯著，在不同混凝土齡期下，結構水平位移均大幅降低，且控制在一個較小范圍內，所有支護條件下的結構水平位移折減系數均在3%以內。

(3)在不同混凝土齡期下，支護構件采用錨固連接的效果要優于焊接連接，且截面形狀對其效果影響不大；當采用焊接連接時，采用方形截面抵抗結構位移的效果最好，H形截面效果最差。

(4)結合智能監測系統，對結構變形進行實時監測，并根據分析結果實時優化設計方案。