王文浩,杨伟松,*,许卫晓,张同波,李翠翠,叶 林,陈德刚

(1.青岛理工大学 土木工程学院,青岛 266525;2.青建集团股份公司,青岛 266071;3.青岛青建理工建筑工业化研究院有限公司,青岛 266000)

为解决主裙楼差异沉降的问题,在施工时通常会在二者连接处布置沉降后浇带,主楼封顶后浇筑沉降后浇带。目前沉降后浇带被广泛应用于施工中,但在施工前未考虑结构自身刚度以及地质条件是否满足主裙楼基础整体连接,一律布置沉降后浇带极易造成人力、物力的浪费,形成沉降后浇带滥用的趋势。此外,该方法也存在诸多弊端,如影响施工进度、工程质量以及结构安全性等。因此,施工时是否考虑布置沉降后浇带,还需要对施工条件进行缜密地分析与考察。在取消沉降后浇带方面的研究中,周笋等[1]通过收集大量主裙楼间设置沉降后浇带的实际工程,总结发现沉降观测显示后浇带没有沉降差,使得沉降后浇带形同虚设。王振洲[2]对不同持力层、不同主楼高度以及不同裙房跨数进行分析,一般情况下当持力层分别为强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩,建筑高度分别在120,200,280 m以内时建议取消沉降后浇带。张玉举[3]结合青岛浅覆土地基实际工程,通过PKPM分析主裙楼后浇带处裂缝宽度,给出了不同条件下取消沉降后浇带的建议。张玉举等[4]通过对实际工程进行沉降观测分析,发现主楼封顶后,主裙楼沉降差达到峰值,当最大沉降差满足规范要求时,即可提前封闭沉降后浇带。富秋实[5]基于工程实例,利用岩土分析软件研究了沉降后浇带封闭时间对基础沉降及底板内力的影响,并据此得到沉降后浇带可提前封闭的结论。王曙光等[6]指出当主裙楼沉降差异在规范允许范围内时,可实现主裙楼基础整体连接。刘旭冉等[7]通过有限元软件对来福士广场施工过程进行模拟以及现场沉降观测,随施工进度推算主楼残余沉降量,当残余沉降量<2‰L时提前封闭沉降后浇带,其中,L为相邻柱基的中心距离。邸道怀等[8]提出沉降后浇带封闭时间可以根据后浇带封闭后两侧的沉降差来控制,当计算所得沉降后浇带封闭后新增沉降差异小于10 mm时,可以将其封闭,并且该研究内容成功应用在小米移动互联网产业园,最终取得理想的效果[9]。王铁梦在编制《超长大体积混凝土结构跳仓法技术规程》的过程中,统计了大量工程实例,发现在天然地基上的主裙楼建筑,虽布置了沉降后浇带但其作用微乎其微[10]。杨嗣信等[11]分析沉降后浇带的作用和存在的问题,结合规范分析取消沉降后浇带的必要条件,结合相应实例指出高层建筑主裙楼整体基础,若采取有关措施,或经过计算差异沉降量引起的承载力满足要求时可取消沉降后浇带。

本文依托青岛某项目,针对坐落在强风化花岗岩上,基础为筏板基础的主裙楼结构,通过实际观测数据总结主裙楼沉降规律及主裙楼相对沉降差与主楼上部荷载间的关系。另外,建立结构有限元模型,综合考虑基础底板沉降位移及结构应力,以判断能否取消沉降后浇带。最后,结合青岛地区现有类似地质条件以及基础形式的工程实践案例,给出了取消沉降后浇带主裙楼高度差建议。

1 工程概况

青岛某工程项目总建筑面积约6.9万m2,包括地上面积4.5万m2,地下室面积2.4万m2。本文研究对象为主楼及其裙房部分,主楼地上21层,地下1层,采用钢筋混凝土框架-核心筒结构;裙房地上2层,部分3层,地下1层,采用钢筋混凝土框架结构。其中地下室层高5.9 m,其余楼层层高4.5 m。建筑总平面见图1。本工程持力层为1片麻状花岗岩强风化上亚带。基础形式为天然地基+筏板,采用C35混凝土。主楼筏板厚度为1300 mm,裙房筏板厚度为500 mm。沉降后浇带位于裙房1靠近主楼的第1跨内。各岩土层力学指标见表1。

表1 各岩土层主要力学性质

图1 项目平面布置

2 沉降观测方案

本方案布置3个水准基点,并将其设置在施工影响范围之外且能长期保存的位置,待水准基点达到稳定后进行水准基点联测。根据结构设计要求及建筑物特点,该项目主裙楼共布设41个测点。观测点位布置见图2。

图2 观测点位布置

3 沉降观测数据分析

沉降观测开始时,主楼已施工至2层,裙房1施工至2层,裙房2施工至3层。为保证数据完整,参考文献[3]对前期沉降数据进行推算:根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)5.3.5及5.3.10条[12],由分层总和法分别计算主楼与裙房沉降值以及岩石层沉降在总沉降中的占比,由式(1)通过回弹量计算再压缩量。

(1)

式中:s为回弹再压缩量,mm;sc为地基回弹计算变形量,mm;s′为地基变形量,mm;ψc为回弹量计算的经验系数;PC为基坑底面以上土的自重应力,kPa;EC为土的回弹模量,kPa;ψs为沉降计算经验系数;P0为附加应力,kPa;ES为压缩模量,MPa。

补全沉降数据后探究主楼与裙房沉降规律、主裙楼最大沉降点间相对沉降差及后浇带两侧相对沉降差与主裙楼楼层差间的关系。

3.1 主楼沉降数据分析

采用PKPM建立主楼模型,根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)[13]施加荷载。通过PKPM计算结构施加在持力层上的应力为623 kPa,主楼模型见图3。

图3 主楼PKPM模型

经计算,主楼基坑开挖卸载土体自重应力为61 kPa,附加应力为562 kPa。本研究将卸载量与再加载量相等处定义为平衡点,平衡点之前发生的沉降为前期沉降[14]。主楼施工完-1层时产生的自重应力为70 kPa,与卸载土体自重相当,即-1层产生的沉降为前期沉降,其计算方法参考式(1)。1层沉降可由实际观测数据进行推算:

(2)

式中:S1-21为1-21层沉降值,mm;S1为1层沉降值,mm;F1-21为1-21层荷载,kN;F1为1层荷载,kN。

经计算主楼各点累计沉降曲线见图4。主楼沉降随其上部荷载增大而增大,主楼封顶后上部荷载不再继续增加,沉降开始趋于稳定。

3.2 裙房沉降数据分析

采用PKPM建立裙房模型,裙房建模时荷载布置方式与主楼保持一致,通过PKPM计算施加在持力层上的应力为65 kPa,裙房模型见图5。

图5 裙房PKPM模型

经计算,裙房基坑开挖卸载土体自重为41 kPa,附加应力为23 kPa。裙房施工至1层共产生的自重应力为46 kPa,故-1层与1层沉降属于前期沉降,计算方法与主楼保持一致。

裙房主体施工时,沉降随其上部荷载增大而增大。当裙房封顶后,上部荷载不再继续增加且该阶段停止降水,地下水位上升后基础底板产生上浮,裙房沉降减小。伴随沉降后浇带的浇筑(图6中框选部分),沉降后浇带对主裙楼沉降差具有一定的调平作用,故裙房沉降增大[8]。裙房沉降减小时,恰好在该阶段停止降水,地下水位上升,因该阶段沉降后浇带并未封闭,地下水位的上升使得裙房基础底板产生一定程度的上浮。当无地下水时,该阶段裙房已经封顶,因主楼上部荷载持续增加,裙房沉降会趋于平缓或些许增大,不会出现上浮现象。

图6 裙房最终沉降曲线

3.3 主裙楼沉降差分析

图7给出了主裙楼最大沉降点间沉降差以及后浇带两侧沉降差与主裙楼楼层差间的关系。其中主裙楼最大沉降点间相对沉降差为0.000 48,后浇带两侧最大相对沉降差为0.000 97,均小于《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)框架结构邻柱相对沉降差限值0.002,符合规范要求。该项目主裙楼同时施工,施工前期主楼与裙房楼层差保持一致,因主楼上部荷载大于裙房上部荷载,所以该阶段主裙楼相对沉降差随主楼上部荷载增大而增大;当裙房封顶后,主楼继续施工,荷载不断增大,主裙楼间相对沉降差随主裙楼楼层差增大而增大;主楼封顶后,浇筑沉降后浇带,沉降后浇带对主裙楼沉降具有调平作用,二者之间相对沉降差减小。

4 有限元分析

4.1 模型建立

采用ABAQUS软件建立结构基础和地基模型,各部分均采用实体单元,模型中岩体边长取筏板边长5倍,厚度取筏板边长5倍。边界条件:岩体四周分别固定x,y方向位移,底边方向固定x,y,z方向位移。有限元模型见图8。

图8 有限元模型

该模型共设置22个分析步。首先进行地应力平衡,对岩体模型施加一个初始预应力,以此抵消基坑开挖卸载的土体自重,同时减小计算误差。利用单元生死功能模拟楼层施工进度[15],将未施工楼层“杀死”,而后根据施工进度激活相应楼层。

4.2 有限元结果分析

图9比较了位于同一轴线上的5-7和9-12测点的实际沉降量与模拟沉降量。模型计算结果与沉降观测数据的变化规律一致,且数值模拟较实际观测结果偏大,更偏于保守,可进行后续的模拟分析。

图10为主楼21层施工结束的模拟结果,主楼沉降呈“锅底”型,最大沉降出现在主楼中心位置且在主裙楼连接处沉降未发生突变。主楼最大沉降为47.13 mm,裙房最大沉降为35.47 mm,二者相对沉降差为0.0011,小于《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)中框架结构邻柱相对沉降差限值0.002,符合规范要求。

图10 底板沉降分布

基础底板最大拉应力为1.28 MPa(图11),小于《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中C35混凝土抗拉强度标准值2.20 MPa[16],满足结构安全使用要求。

图11 底板应力云图

后浇带两侧相对沉降差取主楼与裙房相邻柱的相对沉降差,施工过程中主裙楼后浇带两侧相对沉降差见表2,主裙楼后浇带两侧最大相对沉降差为9.78×10-4,符合规范要求。

表2 施工过程中后浇带两侧相对沉降差

综上可知,地基持力层为强风化花岗岩、基础形式为筏板基础以及主裙楼高度差在85.5 m以内可取消沉降后浇带。因本文主要研究对象为强风化花岗岩地基,岩石地基较难压缩,该种地质条件下,基础形式一般采用筏板基础。对于持力层为土层的情况还需后续的研究。对于中风化及微风化花岗岩地基,因其弹性模量明显大于强风化花岗岩,故在相同荷载下,其结构沉降均小于强风化花岗岩地基条件。王振洲曾对强风化花岗岩、中风化花岗岩及微风化花岗岩地基进行研究,在上部结构一致情况下,主裙楼最大沉降及沉降后浇带两侧沉降差值由大到小依次为:强风化花岗岩、中风化花岗岩,微风化花岗岩[2]。

大量实践表明,在青岛地区工程实际应用中,地质条件为强风化花岗岩、中风化花岗岩以及微风化花岗岩且基础形式为筏板基础的主裙楼结构取消沉降后浇带后沉降差异均在规范允许范围内,详见表3。综合考虑工程统计与上述案例,在相同地质条件及基础形式下,主裙楼高度差在100 m以内取消沉降后浇带是可行的。

表3 未设沉降后浇带建筑

5 结论

运用现场沉降观测及有限元模拟研究青岛某项目沉降发展历程,得出了主裙楼相对沉降差发展曲线及筏板基础结构应力,以此给出主裙楼取消沉降后浇带的高度差建议。主要得出以下3点结论。

1) 主裙楼主体施工阶段,沉降随上部荷载增大而增大。主楼封顶后沉降趋于稳定。裙房由于上部荷载较小,停止降水后裙房基础发生上浮,沉降值减小。待沉降后浇带封闭后,裙房分担主楼部分荷载,沉降值增大。

2) 由沉降观测值及有限元模拟可知,主裙楼最大沉降点间相对沉降差和沉降后浇带两侧相对沉降差随主楼上部荷载增大而增大。

3) 结合有限元模拟与工程实际应用,持力层为强风化花岗岩,基础形式为筏板基础且主裙楼楼高度差在100 m以内时,可取消布置沉降后浇带。