超长地下室结构设计问题及解决方式分析

摘要：近年来随着我国经济的高速发展，建筑用地供求矛盾突出，人们开始了大规模地发展地下空间，超长地下室结构的设计成为了焦点。本文结合工程案例，对超长地下室结构设计中结构裂缝产生的原因进行了简要分析，并集中阐释了相关解决措施，以期为类似结构设计提供借鉴。 关键词：超长地下室；裂缝；解决措施 一、工程案例

某工程项目建筑面积约为46万m2，建筑群由10栋32层住宅（框剪结构）、8栋18层住宅（框剪结构）、1栋2层会所（框架结构）、1栋2层幼儿园（框架结构）和两层地下室构成，20栋塔楼在地下室顶板处连为一体，以基础顶面作为嵌固端。地下室主要是整个建筑项目的停车场及设备用房，两层地下室建筑的总面积约为12万m2，其中，东西走向长度为633.3m，南北走向宽度为94.5m。地下一层层高4.0m，地下二层层高4.3m，除主楼范围外，主要柱网为5.5x8.1m。整个地下室的框架结构中，顶板、楼板和底板都采取的是梁板结构，且顶板厚度为250mm，地下一层楼板厚度为150mm，底板厚度为500mm，地下室外墙厚度则为400mm。另外，地下室的混凝土墙体、梁板结构（塔楼竖向构件除外）的混凝土强度等级为C40，基础（含地基梁、底板）的混凝土强度等级为C30，抗渗等级为P6。

二、超长地下室结构裂缝产生原因

在对建筑工程项目基础情况进行全面细化了解后，发现其中存在裂缝风险，深度分析裂缝产生的复杂性原因不难得出相关结论：一种是地基不均匀沉降，产生较大附加应力导致的结构裂缝；一种是荷载作用后，设计不周全、超载使用等引发的结构裂缝；另一种则是温度引发的裂缝问题，常常是结构收缩或者是结构膨胀等，造成混凝土开裂，这种裂缝问题的占比较大。基于此，对于本案例中的工程项目而言，基础主要采用的是大直径扩底灌注墩，持力层为密实的圆砾层（地基承载力特征值600kPa），基础不均匀沉降几率较小，并不会造成有害的结构裂缝。通过合理设计受力构件截面和配筋、控制施工和使用期间荷载在设计允许值之内等，荷载作用下也不会引发有害的结构裂缝。但是，本案例设计的难点在于地下室平面尺寸为633.3x94.5m，甲方要求不允许设置变形缝，为超长结构，且超出规范限值很多，因此，裂缝主要产生的原因就集中在温度影响和混凝土收缩两个方面。

（一）温度因素

温度影响主要体现在以下两个方面：

一方面，现浇钢筋混凝土结构需要投入较多的水泥，这就无法避免水泥本身的特征和使用问题。水泥在水化过程中会产生较多的水化热，加之地下室结构件的截面尺寸较大，大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发，导致内部温度急剧上升，而混凝土表面散热较快，这样就形成内外较大的温差，较大的温差造成内部与外部热胀冷缩的程度不同，使混凝土表面产生一定的拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土表面就会产生裂缝。

另一方面，混凝土具有热胀冷缩的性能，当外部环境温度发生变化，比如昼夜的温差变化、寒潮的袭击、夏冬交替等，混凝土将发生变形。由于超长结构纵向长度较大，结构中混凝土构件受到内部或外部的约束较强，构件不能自由变形，当温差引起的变形受到约束时，构件将产生拉应力，拉应力过大时则导致裂缝的

产生。

（二）混凝土收缩因素

砼收缩也是造成建筑结构裂缝的主要原因。究其根本，硬化收缩、塑性收缩、干燥收缩等是形成混凝土收缩的本质因素，尤其是干燥收缩。所谓的干燥收缩就是指混凝土结构在实际应用的过程中，混凝土本身的水分出现了减少，多数都是由于蒸发的情况，这就会直接影响混凝土的基础性结构和体积的变化，呈现收缩状态，且整体收缩量占据混凝土结构总体收缩量的80%到90%之间。需要注意的是，混凝土结构干燥收缩本身是一个较为复杂且长期的变形过程，在这个过程中，影响的因素较多，要想从根本上进行处理，就要从多角度予以判定。一般而言，混凝土在早期的收缩速率较快，尤其是在混凝土结构浇筑后的半个月内，其整体结构的收缩量会达到混凝土结构修建第一年的30%到40%，而在大约30d左右时，收缩量会达到45%到55%之间。这种情况会逐渐积累，混凝土结构修建60d左右，收缩量已经累计到65%到75%之间，半年后收缩量基本会控制在85%以上，而这种收缩并不是无限延长，多数都会在施工项目运行第一年后，混凝土收缩变形问题就会逐渐停止[2]。除此之外，造成混凝土收缩应变的原因较多，其中，混凝土自身的强度等级、混凝土中水泥品种、混凝土的实际水灰比、坍落度等都是主要因素，若是后期养护条件不好也会加剧混凝土的收缩变形问题。并且，施工采取的混凝土多数都是商业化用途的泵送混凝土，这在实际施工中会出现收缩变形加剧的问题，若是不能给予一定的重视，就会造成严重的施工问题。需要注意的是，对于混凝土而言，不均匀性是混凝土的根本问题，尤其是在混凝土浇筑的过程中，离析现象十分常见，这些部位常常是裂缝的高发部位。

可见，要控制混凝土结构裂缝，就需要减小由于温差（早期水化热或使用期季节温差）和体积变化（施工期或者使用早期的混凝土收缩）等间接作用效应积累引起的不利影响。

三、超长地下室结构解决措施

根据混凝土裂缝成因，要对超长地下室进行无缝抗裂设计，采取适当措施进行预防要比事后补救要有效的多。也就是说，超长无缝设计作为一种突破现有规范有关规定的超限行为，采用特殊的防止建筑物开裂手段和有针对性的工程质量保障技术措施尤为重要。以防为主的方法，归纳起来，可以从以下几个方面着手： （一）设计措施 1、建筑措施

（1）增设保温层、设置顶板覆土

地下室顶板处与景观园林相协调，地下室顶板处尽可能覆土，覆土平均厚度达1.2米；在消防车道等覆土厚度小于0.3米处，则增设建筑保温隔热层。这样，可避免地下室顶板与空气直接接触，从而减小环境温度的影响。 （2）调整地下室外墙直线段长度

与建筑沟通，尽可能将相邻两塔楼间的地下室外墙凹进1米，将地下室外墙做成凹凸不平直，以减小其直线长度，从而有效减少混凝土自身的约束，达到释放部分伸缩变形的目的。 2、结构措施

（1）设置诱导缝

本案例地下室长度达633米，考虑到200米长度目前有较成熟的设计及施工技术保证，且建设方不同意设置伸缩缝，故本案例沿地下室长向设两道诱导缝，将地下室分割成约200米左右的三段，诱导缝采用双柱双梁间设弱板连系的方式。

为避免诱导缝处楼板开裂及中断温度应力的传递，将诱导缝板降至与其两侧梁的底部相平，根据诱导缝两侧的楼板厚度（地下室顶板、地下一层板厚分别为250、150mm），将其两侧梁高在地下室顶板处设为800mm，地下一层设为550mm。同时，在诱导缝下设排水吊沟做二道防线，以防诱导缝处开裂渗水。 （2）设置后浇带和膨胀加强带

本案例的后浇带有两种类型：一种为甲型后浇带，用于调整高层与低层之间结构不均匀沉降和减少砼收缩，在砼收缩相对稳定后再用膨胀砼连接起来，解决后期温度应力的影响；另一种为乙型后浇带，用于减少混凝土施工过程的收缩应力，使砼的早期收缩和应力得到自由的释放。后浇带封闭的一般原则：甲型后浇带应在两侧结构单元主体完工后两个月且沉降基本稳定后才能施工。乙型后浇带应在其两侧混凝土龄期达到两个月以后再施工；为防止在后浇带处产生新旧砼间的收缩裂缝，浇筑后浇带时气温应注意低于其两侧砼浇筑时的气温。

本案例的楼（底）板后浇带沿地下室长向间距约65~75米，带宽0.8米。为解决后浇带之间的超长问题，故后浇带之间设置1~2道2米宽的膨胀加强带，减小温度应力的影响。地下室外墙则每隔20~25m设置一道乙型后浇带。 （3）加强梁板墙的纵向配筋

本案例项目中，为了强化钢筋混凝土材料的抗裂性能，对地下室配筋进行了集中的分析。第一，运用PMSAP及盈建科在初始温度20℃，升温20℃，降温20℃情况下进行计算，考虑温度应力下所得的配筋结果与PKPM弹性计算下的配筋结果相比，柱配筋基本相同，梁配筋在考虑温度应力下配筋大了约20%。第二，地下室各层梁板、底板及外墙均双层双向配筋，钢筋采用三级钢，通长钢筋配筋率（包括墙体水平构造钢筋配筋率）都控制在0.25%以上。第三，对钢筋间距予以约束，楼板、底板结构的钢筋间距控制在200mm以内，墙体的水平钢筋间距则控制在100mm。

（4）提升混凝土抗拉强度

本案例中，地下室各层梁板、底板及外墙采用掺高性能混凝土膨胀剂的补偿收缩混凝土，在混凝土内添加了S-AC高性能混凝土膨胀剂，其膨胀剂掺量一般约为水泥用量的4～5%，但后浇带和膨胀加强带须掺6%。膨胀加强带中砼膨胀率应≥0.030%，其他部位应≥0.02%。借助膨胀剂对收缩混凝土结构予以补偿处理，从而发挥其膨胀作用，一定程度上减少混凝土结构在硬化过程中出现的温差问题以及干缩拉应力，从本质上补偿混凝土，提升了混凝土整体的抗拉能力，真正将裂缝问题控制在无害程度中。 （二）施工措施

地下室施工应根据项目的实际情况编制专项施工方案，施工专项方案的编制内容除满足国家现行有关标准及相关规定要求外，对超长地下室来说，尚应包括混凝土浇筑及养护、施工缝及后浇带处理、大体积混凝土施工、主要构件的裂缝及变形观测等相关内容。

1、合理选材，优化配合比

本案例中，地下室结构的混凝土强度等级利用的是C30、C40，主要是考量混凝土水化过程产生的水化热。基于此，就要对配合比参数予以集中关注，尤其是水泥的选取十分关键，相关人员要优先选取矿渣硅酸盐等低水化热的水泥，以全面降低水化过程中产生的热量，从而一定程度上控制混凝土的基础性温度。同时，为了从根本上减少混凝土自身产生的收缩变形问题，在实际施工项目操作过程中，要采取较低的水灰比（宜控制在0.40～0.45），有效减少水泥的实际用量，严格

控制工程项目中集料的级配结构（石子宜采用低碱活性的粒径为5～31mm连续级配的机碎石或卵石，含泥量小于1%；砂子采用B类低碱活性中粗砂，细度模数2.5～3.2，含泥量小于1.5%），适量的加入膨胀剂等能减少混凝土收缩的外加剂，当有条件时，可在混凝土中加入纤维等抗裂材料，全面完善混凝土的基础性能。除此之外，相关施工项目管理部门也要在满足工程施工要求的条件范围内，减少混凝土的坍落度参数（宜控制在12±2cm），砂率宜控制在38%～42%，拌和水用量不宜大于175kg/m3，泵送砼宜采用60d强度作指标，以确保配合比的最优化，维护混凝土振捣处理效果，从根本上提高混凝土密实程度和均匀程度。 2、加强混凝土的浇捣及养护

由后浇带划分出的结构区段（含膨胀加强带）内混凝土应连续浇筑，不得中断，同一区段内混凝土浇筑间隔时间不得超过混凝土的初凝时间。板混凝土终凝前用木抹子在表面抹压2～3遍。为保证混凝土的密实性和均匀性，现场浇捣混凝土时，应避免振捣或插入不当，漏振、过振或振捣棒抽撤过快。

混凝土浇捣结束后，须强化施工操作的养护水平，利用保湿法对其进行综合性养护，充分发挥混凝土膨胀效应，切实提高混凝土的膨胀效果，形成内预应力，减少内外温差导致的裂缝问题。故板面砼抹压后宜用薄膜覆盖，砼硬化后宜采用蓄水或湿麻袋覆盖养护，养护时间不得少于14天；墙体最佳拆模时间要控制在5d到7d之间，拆模后宜挂湿麻袋淋水养护，保持砼表面潮湿，养护时间不得少于14天。由于本案例地下室超长较多，故建议地下室外墙、顶板在砼硬化后一直采用蓄水或湿麻袋覆盖等养护措施，直至建筑面层做法开始施工前。 结束语

本工程案例现已投入使用，通过上述措施，取得了预期的效果。正确判断和分析混凝土裂缝的成因是有效地控制和减少混凝土裂缝产生的最有效的途径。为此，我们结构设计人员在超长地下室结构设计工作开展过程中，应对裂缝可能产生的原因予以分析，根据实际情况，建立健全针对性较强的设计措施和施工操作，从设计到施工共同确保工程结构达到刚性自防水的要求。 参考文献：

[1]宋伟，袁勇.高层建筑现浇超长地下室应力发展分析[J].特种结构，2013，19（01）：20-23.

[2]赵恒晶，富秋实.大底盘多塔高层建筑结构设计的关键问题[J].浙江建筑，2015，28（03）：17-18，26.

[3]刘君.某高层建筑超长地下室基础及底板设计[J].建材与装饰，2015（52）：79-80.

[4]蒋锦兰.浅谈超长地下室后浇带设计常见问题及构造措施[J].房地产导刊，2015（06）：126-126.