第48卷第2期2017年2月 、,01.48 No.2 Feb.2017 Architecture Technolo ̄v 建 筑 技 术 ・2l1・ 考虑共同作用下主裙楼建筑后浇带力学性能和 封闭时机研究 窦远明, 沙秦南 (河北工业大学土木与交通学院,300401,天津) 摘要:利用ANSYS对建筑上部结构、筏板、地基协同后浇带整体建模,采用单元生死技术模拟多种 建筑施工和后浇带封闭情况,提取筏板基础沉降值和基底反力值,得出不同施工顺序会导致主裙楼筏板沉降 差异发展速率不同的结论,从而为后浇带提前封闭提供可能。 关键词:ANsYs;后浇带;差异沉降;基底反力 中图分类号:TU 755 文献标志码:A 文章编号:1000—4726(2017)02—021卜04 STUDY ON MECHANICAL PROPERTY AND CLOSING,TIME OF POST-CASTING BEI oF MAIN BUILDING AND PoDIUM BUILDING UNDER MUTUAL ACTIoN DoU Yuan-ming,SHA Qin-nan (School ofCivil and Transportation Engineering,Hebei University ofTechnology,300401,Tianjin,China) Abstract:ANSYS was used to build model for the coordinative post,casting belt of superstructure. raft board and foundation.Dead—live unit method was used to simulate various closing conditions of building construction and post—casting belt and to get the raft found ̄ion settlement value and foundmion bottom reactive force value.It was found that different construction sequence could cause diferent development speeds of raft board differential settlement of main building and podium building,providing possibility for advanced closing of post・casting belt. Keywords:ANSYS;post-casting belt;differential settlement;foundation bottom reactive force 为有效利用地下空间,通常将主楼与裙楼地下室 致基础不均匀沉降过大,且在连接处出现差异沉降, 底板连成整体,形成大底盘主裙楼结构。此类带裙房 引起结构开裂,影响建筑物安全使用。 的高层建筑结构常因主楼和裙房间高差显著因素,导 收稿日期:2O16_-l0_-l7 本文采用ANSYS软件对某工程进行上部结构一 基础一地基协同沉降后浇带共同作用模拟施工过程, 作者简介:窦远明(1956__),男,河北邯郸人,教授,e.mail douyuanming@163.tom. 选择最优施7-JIl ̄序,并讨论后浇带的力学性能和封闭 时机。 浙江大学学报(工学版),2008(6):1080-1084. 的体积膨胀率,可有效增强结构耐久性;仅提高混凝 土强度等级并不能明显提高结构耐久性。 参考文献 …1 Andrade C.Cover cracking as a function of bar corrosion.Part I: Experimental test[J】.Material nd Staructures,1993,26(5):453-464. 【2】Alonso C,Andrade C,Rodriguez J,et a1.Factors controlling cracking [8]淡丹辉,王庆霖.钢筋混凝土结构锈胀裂缝的计算机模拟[J】.西 南交通大学学报,2000(5):484--487. [9 龚晓南.土塑性力学[9]M].杭州:浙江大学出版社,1997. 【1O】俞茂宏.强度理论新体系:理论、发展和应用[M】.西安:西安交 通大学出版社,2011. 【11]宋玉普,王清湘.钢筋混凝土结构[M】.北京:机械工业出版社, 2004: of concrete affected by reinforcement corrosion[J】_Materials and Structures,1998(131):435-441. [3】Williamson S J,Clrk aL A.Pressure required to cause cracking of concrete due to reinforcement corrosion[J].Magazine of Concrete Research,2000,52(6):455-467. [4】Liu Weyers R E.Modeling the time-to—corrosion cracking in [12]惠云玲,林志伸,李荣.锈蚀钢筋性能试验研究分析[J】.工业建 筑,1997,26(6):1-103. 【13】金伟良.钢筋混凝土构件的均匀钢筋锈胀力及其影响因素[J】.工 业建筑,2001,3l(5):6-8. 【l4】赵羽习,金伟良.钢筋锈蚀导致混凝土构件保护层胀裂的全过程 chloride contamin ̄ed reinforced concrete structures[J].ACI Material Journal,1998,95(6):675-681. 分析【J].水利学报,2005,36(8):939-945. [15]宋晓冰.钢筋混凝土结构中的钢筋腐蚀[D].北京:清华大学, 1999. : [5 金伟良,5】赵羽习,鄢飞.钢筋混凝土构件的均匀锈胀力的机理研 究[J].水禾U学报,2001(7):57-62. [6 王海龙,金伟良,孙晓燕.基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈 6]胀开裂模型【J】.水利学报,2008,39(7):863-869. 【7】赵羽习,金伟良.混凝土锈胀时刻钢筋锈蚀率的数值分析方法【J】 .[16】牛荻涛 混凝土结构耐久性与寿命预测[M】.北京:科学出版社, 2003. 【17】张伟平.混凝土结构的钢筋锈蚀率损伤预测及其耐久性评估【D】. 上海:同济大学,1999. ・2l2・ 建筑技术 第48卷第2期 1 工程概况 拟建场地基本呈正三角形。东西向约315m,南 区域边界位移接近0。本工程模型地基范围选取:水 平方向从基础边缘向外各方向放宽3倍基础宽度;在 深度方向取2倍基础宽度。 北向约235m。拟建物为商住楼、酒店、写字楼、地 下购物广场及商业娱乐配套设施,其中需研究的建筑 物地上20层、地下2层,属超限大底盘框架一核心 筒结构,有4层裙房,且基础采用天然地基平板式筏 板基础。 (b) 根据场地工程地质条件、原位测试、有关规范及 当地经验,综合确定各层地基土承载力特征值 、 压缩(变形)模量 ( )(表1)和地基模型参数 (表2),建立平面计算模型(图1),其中后浇带 帘800mm。 表1 地层承载力特征值及模量 地 编号 地 称 Ik/kPa E(E,)/MPa (C) 图2 ANSYS计算模型 (a)整体模 ;(b)地基、基础协同岳浇带部分摸 ; (c)后浇带未被激活时整体沉降应 Jz ̄k-I ① ② 填f 卵 60 550 —— (40.0) 2.1不同施工顺序对主裙楼沉降差异影响 ③ ④ :(强呲化) 砂 (中风化) 500 600 (35.0) (50.0) 裙房与主楼施工顺序影响主裙楼间不均匀沉降的 发展趋势。在主裙楼中部分别取关键点zl,z2,ql,q2, 提取ANSYS基础沉降计算数据,运用单元生死技术, 先将未建设单元部分“杀死”,随后逐步激活。通过 在不同状态下激活裙房单元,模拟主裙楼不同施工顺 中风化砂岩未被地卜水浸泡、扰动时.承载 f达750kPa 表2地基模型计算参数 眨 啄瞍/m 聚力/ _勾 擦绚/ 形模量/ kPa (。) MPa 照 / (kN/m’) 序并作对比分析。 2.1.1工况l:正常施工顺序 印 i朕 砂岩 ( 风化) O.4 l9 O 30~35 40 ̄45 35~40 40 35 22 22 该工况分6个步骤:①2层地下室;②l~2层 裙房及主楼;③2~4层裙房及主楼;④主楼施工至 l0层;⑤主楼施工至15层;⑥封顶。沉降发展如 图3所示。 施r步骤 0 I ! I. I I I I ll -I ll 睦 C5 浇 带 0 l l 晰 t三雠 I : :{ 磐15 —● q2 ・’●●一一1 I l l I ・-■--z4 }去I y 1 l ( 了由 J }0 L 30 图3 1:况1下主群楼4点沉降 图1 浇带没置在'=E楼外第1跨的计算模型平面 2 ANSYS数值模拟 利用ANSYS整体建模(图2),建筑整体协同 后浇带进行共同作用分析。上部结构和筏板基础均按 由图3可知,在正常施工顺序下,裙房处沉降发 展均匀、平缓。由于地基为软岩,承载力较高,导致 主楼和裙房沉降差异均小。随主楼继续施工,主楼处 荷载不断增加,沉降加剧,主裙楼沉降差异也不断扩 大,直至封顶。 2.1.2工况2:设计施工顺序 线弹性材料考虑,地基土按理想弹塑性材料考虑, 并采用Drucker-Prager弹塑性模型。地基采用solid65 单元模拟,筏板基础和后浇带采用shell l 8 l单元模拟; 楼板及核心筒部分采用shell63单元模拟,梁、柱采 用beam 1 8 1单元模拟,地基与地下室采用共结点连接。 由于地基范围较大,基础作用在地基之上,需截取一 该工况分6个步骤:①2层地下室;②l~10层 主楼;③10~15层主楼;③主楼施工至顶层;⑤施工 l~2层裙房⑥2 ̄4层裙房封T页。沉降发展如图4所示。 由图4可知,第4步是主楼提前施工完毕,最后 部分地基进行计算,选择区域时不能过小,要求计算 进行裙房施工,同时主楼缓漫释放沉降。按该施工顺 2017年2月 窦远明,等:考虑共同作用下的主裙楼建筑后浇带力学性能和封闭时机研究 ・2t3・ 施工步骤 0 +1 q1 轴号 ’ O 量10 ・・_q2 —.一z3 --_-z4 葵20 30 图6未施工裙房,主楼施工完毕时封闭后浇带最终沉降曲线 图4工况2 F主群楼四点沉降 序,裙楼和主楼沉降差异发展速率最缓慢,主裙房沉 降差异不再继续扩大,建筑整体沉降可在施工期间基 线及此时封闭后浇带的最终沉降曲线(图7) O 轴号 本完成。 2.1.3工况3:设计施工顺序 该工况分6个步骤:①2层地下室;②l一10层 主楼;③l ̄2层裙房;④2 ̄4层裙房;⑤10~15层主 楼;⑥主楼施工至封顶。沉降发展如图5所示。 施工步骤 +ql l 10 +q2 矗l5 .._.z3 — 避20 z4 25 30 5工『兄3 主群楼四点沉降 由图5可知,在主楼建至lO层时裙房被激活。 整体施工过程中裙房沉降小且发展较均匀、 缓漫。在 主楼施工一半时开始施工裙房,不能较好地使主裙楼 沉降发展速率一致。主楼继续施工后,主裙楼间沉降 差异持续增大。 目前规范并未明确规定后浇带封闭时间,但大多 数论文及数据表明,封闭后浇带时须先保证沉降差异 趋于平缓[】】。通过先施工主楼后施工裙房的方法,使 沉降后浇带封闭前,主楼大部分沉降可在整个建筑完 工前完成,主裙楼不均匀沉降差不再持续增大, 从而后浇带有可能提前封闭。 在此基础上,继续研究后浇带封闭时间。施工过 程中对比后浇带封闭前后不同工况,利用单元生死模 拟施工过程,先对应当前施工进度不封闭后浇带,读 取裙房主楼沉降及基底反力;然后在当前施工进度下 封闭后浇带,继续完成施工,中途读取主裙房沉降及 基底反力。 2.2后浇带设在第1跨按设计顺序施工时沉降分布 特征 在图1的5号轴线上均匀选取l6个点,作为沉 降曲线参照数据。工况I为主楼建造完毕,即将建造 裙房时沉降曲线及此时封闭后浇带的最终沉降曲线 (图6)。 工况2为主楼建造完毕,裙房建造2层时沉降曲 世 蜉 图7施工2层裙房,主楼完毕时封闭后浇带最终沉降曲线 工况3为整体建造完毕时沉降曲线及此时封闭后 浇带的最终沉降曲线(图8)。 一 轴号 0 ’ 5 …、 10 15 i 10 奏 40 图8封顶后封闭后浇带最终 1垮曲缉 对比3种封闭后浇带时机,后浇带设置在主裙楼 间第1跨,裙房基础沉降差异不大,波动幅度较小。 由于上部结构、基础、地基共同作用,核心筒上部较 大刚度了筏板基础沉降,故主楼区域基础沉降曲 线呈盆形,核心筒部位几乎无沉降差。对比3种封闭 后浇带后沉降发展趋势,可知后浇带封闭后基础相当 于连为一体,抵抗沉降能力增强,故图6最终沉降最 小,图8最终沉降最大。后浇带封闭时间越晚沉降发 展越大,但封闭后浇带后沉降发展越来越小。 如表3所示,由于主楼已建造完毕,更改施工 顺序后,主裙楼沉降差随裙房施工发展缓慢,整体变 形缓慢并有降低趋势,且后浇带封闭时间越晚,主 裙楼沉降差越小。GB 50007 201 1《建筑地基基础 设计规范》第5.3.4条规定,高层建筑沉降差允许值 为0.002~0.003L(L为柱距);当多层和高层建筑自 室外地坪起建筑高度为60~1 00 m时,倾斜率应小于 0.0025。经测量最小柱距为6 449 mm,沉降差允许值 为12.898~19.347mm,且斜率均 \于0.0025,可见在 工况1时即可封闭后浇带。 2.3后浇带设在第1跨按设计顺序施工时的基底反 力分布特征 在图1的5号轴线均匀选取31个点作为基底反 力曲线参照数据。与2.2中采用相同工况,提取基底 反力曲线如图9所示。 ・214・ 建筑技术 第48卷第2期 表3不同工况下主裙房沉降对比 工况 封闭前 封闭后 封闭前 封闭后 封闭前 封闭后 裙房平 均沉降/ 3.8 7.69 5-31 9_3l l1.54 14.21 mill 主楼平 均沉降/ l6.97 l7.67 19.42 18.93 21.38 22.62 mill 主裙楼 差值/ l3.17 l0.98 14.11 9.62 9.84 8.4l mill 斜率 O.o0l3 0.001l O.OO14 0.0009 O.O01O 0.0008 轴号 0 5 1O l5 20 25 3O 35 loo 2o0 3oo 400 5oo 600 l0o 200 300 4O0 500 600 7oo 100 200 闭 3o0 后 400 5oo 600 700 (c) 图9后浇带设置在第1跨且按设计顺序施工时的基底反力 (a)工况1:未施工裙房,主楼施工完毕时封闭后浇; (b)工况2:施工2层裙房,主楼完毕时封闭后浇带; (C)工况3:封顶后封闭后浇带 由图9可知,后浇带未封闭时由于缝隙贯通,整 个筏板基础相当于2个单体基础,在后浇带附近和筏 板两边缘会有边端反力集中状况,基底反力呈鞍形分 布。由于主楼已率先封顶,裙房处基底反力较小,主 楼处基底反力变化不大。提前封闭后浇带可使主裙楼 连接成整体,利于主楼荷载扩散,故最终基底反力偏 小。后浇带封闭时间越晚,主楼向裙房扩散荷载越少, 地基反力越大,后浇带处主裙楼反力差越大。通过更 改施工顺序,主裙楼随裙房施工地基反力增长并不显 著,主楼部分变化不明显,故更稳定。 O 3结论 5 (1)利用ANSYS软件对大底盘主裙楼建筑后 O 浇带共同作用分析十分必要,算得数据准确,可较好 l 地模拟沉降后浇带对沉降和反力的影响。轴 b (2)通过单元生死功能模拟改变施工顺序可节 ㈩ 号 ) 省大量人力物力 模拟结果表明,在地基承载力较大 加 加 的前提下,裙房沉降发展较缓『曼均匀。先施工主楼后 施工裙房,利于主裙楼沉降速率的一致『∞ 生及均匀性。 主裙房沉降差异不再继续扩大,沉降可在施工期间基 如 本完成。 " (3)更改施工顺序后,可在裙房建设初期提前 封闭后浇带。对类似建筑可在考虑更改施工顺序同时 取消沉降后浇带,使在设计主裙楼时连为整体,对此 做法尚需进一步研究。 (4)后浇带封闭时间越晚,沉降差异发展越大, 但封闭后沉降发展最缓幔,故后浇带封闭时间不能过 早,否则会因沉降差异持续发展,导致后浇带附近应 力不均衡产生开裂。 (5)提前封闭后浇带会使主裙楼连成整体,利 于扩散主楼荷载,最终基底反力偏小。更改施-rlt1 ̄.序, 主楼封顶后建设裙房时,随裙房施工地基反力增长并 不显著,主楼中部地基反力值变化不明显,故可提前 封闭后浇带。 参考文献 [1】黄子贶.沉降后浇带在高层建筑大底盘基础中的作用研究【D].杭 州:浙江大学,2007. [2】王铁梦.工程结构裂缝控制[M】.北京:中国建筑工业出版 社,2008. [3】王曙光,邸道怀,周圣斌.中低压缩性地基上设置沉降后浇带的 主裙楼沉降及基底反力分布特征[J】.岩土力学,2014(S2):313—318. [4】邸道怀,朱红波,杨斌.沉降后浇带封闭时间初探及工程实例[J】. 建筑科学,2012(S1):295—297,307. [5】高强.高层结构沉降及后浇带设置的研究[J].长春工程学院学报 (自然科学版),2015(I):21-24. [6]赵振国,梁建军.采用沉降后浇带控制差异沉降的方法及工程实 例[J】.工程建设与设计,2007(12):41-44. [7】叶家强,迟铃泉.基于ANSYS分析的沉降后浇带封闭时间确 定[.『】.建筑科学,201 1(9):20-23. [8】孙学锋,王强,闰邦平,等.主裙楼结构沉降后浇带设计理论研 究[J】.低温建筑技术,2015(10):50-53. [9】GB 5007—2Ol1,建筑地基基础设计规范[s】. [10]GB 50108--2008,地下工程防水技术规范[s】. [11]JFJ 6—2Ol1,高层建筑筏形与箱形基础技术规范【s】. [12】杨嗣信,王凤起.关于现浇钢筋混凝土工业化施工的问题[J].建 筑技术,2016(4):294-297。 [13]刘朋辉.大底盘主裙楼整体连接结构荷载传递规律研究[J].建筑 技术,2014,45(3):198-20t.