可傳遞壓應(yīng)力和剪應(yīng)力的咬合式地下室樓蓋變形縫設(shè)計(jì)
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鄭建東， 楊顯峰
（廣州瀚華建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣州510655）
[摘要] 介紹了一種凹凸折板咬合式變形縫構(gòu)造。通過對(duì)3個(gè)不同簡化模型進(jìn)行應(yīng)力分析，考察了凹凸折板咬合式變形縫對(duì)樓蓋拉應(yīng)力的釋放效果；同時(shí)為考察設(shè)置凹凸折板咬合式變形縫結(jié)構(gòu)地下室樓蓋作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端的受力性能，采用SAP2000軟件對(duì)上述3個(gè)不同簡化模型進(jìn)行小震非線性動(dòng)力時(shí)程分析。結(jié)果表明，該變形縫在釋放超長地下室樓蓋拉應(yīng)力同時(shí)，可以傳遞其兩側(cè)樓蓋的壓應(yīng)力、剪應(yīng)力，以滿足地下室樓蓋作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端的要求；同時(shí)，也使該樓蓋可以作為地下室兩側(cè)壁的水平支撐來平衡地下室商側(cè)水土壓力。最后，對(duì)凹凸折板咬合式變形縫在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果進(jìn)行了介紹。
[關(guān)鍵詞] 凹凸折板咬合式變形縫；超長地下室；水平支撐
中圖分類號(hào)：TU318.2 文章編號(hào)：1002-848 X( 2016)12-0033-04
0 引言
超長地下室為避免因鋼筋混凝土樓蓋收縮而產(chǎn)生樓板裂縫，常采用設(shè)變形縫作為一個(gè)解決手段。但地下室設(shè)變形縫后，上部塔樓在地下室各層與周邊地下室及土體分離而失去約束，計(jì)算嵌固端下移至地下室底板，會(huì)導(dǎo)致塔樓計(jì)算高度及地震響應(yīng)增大；同時(shí)，對(duì)于純地下室部分，變形縫會(huì)造成結(jié)構(gòu)一側(cè)有外側(cè)水土壓力，另一側(cè)則臨空，這一不平衡水平力則需由地下室結(jié)構(gòu)承擔(dān)（圖1），當(dāng)?shù)叵率逸^深時(shí)，不平衡土壓力對(duì)于純框架地下室結(jié)構(gòu)造成的內(nèi)力增幅往往相當(dāng)可觀。
鑒于常規(guī)分縫設(shè)計(jì)對(duì)上部塔樓、地下室結(jié)構(gòu)的不利影響，同時(shí)考慮到地下室樓蓋開裂主要是由于拉應(yīng)力引起的，而溫度變化引起的樓蓋壓應(yīng)力、剪應(yīng)力一般不致引起樓蓋開裂，筆者擬設(shè)計(jì)一種新型的變形縫構(gòu)造，該變形縫在釋放引起樓蓋開裂的拉應(yīng)力同時(shí)，又能傳遞壓應(yīng)力、剪應(yīng)力，以滿足地下室樓蓋作為上部塔樓嵌固端及地下室外壁水平支撐的力學(xué)性能要求。
1 凹凸折板咬合式變形縫節(jié)點(diǎn)構(gòu)造
循著釋放拉應(yīng)力，傳遞壓應(yīng)力、剪應(yīng)力的思路，設(shè)計(jì)了一種凹凸折板咬合式變形縫。凹凸折板采用常見的樓蓋壓型鋼板切割而成；凹凸折板咬合式變形縫采用雙層緊貼的壓型鋼板分隔開兩側(cè)的鋼筋混凝土樓蓋，從而切斷拉應(yīng)力的傳遞；由于雙層壓型鋼板采用緊貼設(shè)計(jì)，樓蓋的水平壓應(yīng)力可以通過貼合面?zhèn)鬟f；壓型鋼板形成的凹凸企口又可以傳遞變形縫間的剪力。凹凸折板咬合式變形縫構(gòu)造及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。
2 樓板溫度應(yīng)力對(duì)比分析
為考察凹凸折板咬合式變形縫對(duì)樓蓋拉應(yīng)力的釋放效果，采用簡化模型進(jìn)行樓板應(yīng)力對(duì)比分析，簡化模型選取某一框架剪力墻雙塔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)地上20層，地下3層，地下室平面尺寸為50m×180m。其中模型A不設(shè)縫；模型B設(shè)兩道常規(guī)變形縫；模型C的設(shè)縫位置同模型B，但變形縫采用凹凸折板咬合式變形縫，凹凸折板咬合式變形縫采用SAP2000軟件中的只壓框架單元和只有剪切剛度的殼單元進(jìn)行模擬。簡化模型變形縫平面布置示意見圖3，三維計(jì)算模型見圖4。
分析時(shí)，季節(jié)溫差及混凝土收縮當(dāng)量溫差按- 40℃考慮，并考慮0.3的混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力松弛系數(shù)。3個(gè)模型的地下室頂板在長向的拉應(yīng)力分布如圖5所示。從圖5可見，模型B與模型C的地下室頂板最大拉應(yīng)力完全相等，僅約為模型A的1/8，凹凸折板咬合式變形縫與常規(guī)變形縫一樣可以有效卸除因降溫收縮而引起的樓板水平拉應(yīng)力。
3 小震作用下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)對(duì)比分析
為考察設(shè)置凹凸折板咬合式變形縫結(jié)構(gòu)的地下室樓蓋作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端的受力性能，采用SAP2000軟件對(duì)第2節(jié)的3個(gè)不同簡化模型進(jìn)行了小震非線性動(dòng)力時(shí)程分析，輸入地震波的最大峰值加速度為35 cm／s2，持續(xù)時(shí)間為30s。3個(gè)模型的樓層剪力、樓層位移、層間位移角對(duì)比見圖6（當(dāng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向與橫軸的正向一致時(shí)數(shù)值為正，反之為負(fù)）。從圖6計(jì)算結(jié)果可知，小震作用下，模型A、模型C的樓層剪力、樓層位移以及層間位移角等地震響應(yīng)基本一致，由此可以判斷凹凸折板咬合變形縫模型與不分縫的連續(xù)模型在地震作用下表現(xiàn)一致。
3個(gè)模型地下室頂板在長向的正應(yīng)力、剪應(yīng)力對(duì)比分別見圖7、圖8。從圖7，8計(jì)算結(jié)果可知，模型A與模型C在地震作用下地下室頂板在長向的最大正應(yīng)力相等，兩者的最大剪應(yīng)力也相等，且兩者正應(yīng)力、剪應(yīng)力的分布趨勢(shì)也完全相同。由此可以判斷凹凸折板咬合變形縫模型可以同不分縫的連續(xù)模型一樣傳遞地震產(chǎn)生的正應(yīng)力與剪應(yīng)力。
雖然模型C的變形縫只能傳遞壓應(yīng)力、剪應(yīng)力，但由于塔樓兩側(cè)僅有地下室樓蓋存在，在地震特定運(yùn)動(dòng)方向使一側(cè)凹凸折板咬合式變形縫張開而失去約束作用時(shí)，另一側(cè)的樓蓋通過受壓提供水平支撐，使得地下室頂板對(duì)塔樓的水平嵌固作用依然存在，故模型A、模型C的小震地震響應(yīng)比較接近，因此設(shè)置凹凸折板咬合式變形縫結(jié)構(gòu)的地下室頂板仍可以作為上部塔樓的嵌固端。
4 工程應(yīng)用
4.1清遠(yuǎn)某高層住宅項(xiàng)目
該項(xiàng)目兩層地下室，地下室尺寸為69m×174m，地下室一面臨近山體，有8~10m側(cè)向土壓，另一面則臨空，成為外露地下室，見圖9。由于結(jié)構(gòu)超長，采用凹凸折板咬合式變形縫將純地下室和塔樓分開。其中純地下室部分為兩層框架，結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)均不足以承擔(dān)單側(cè)的不平衡水土側(cè)壓荷載，需借助兩側(cè)塔樓的側(cè)向剛度及強(qiáng)度來承擔(dān)上述荷載。所采用的凹凸折板咬合式變形縫使單側(cè)水平壓力沿純地下室側(cè)壁→純地下室樓蓋→凹凸折板咬合式變形縫→塔樓樓蓋→塔樓結(jié)構(gòu)的路徑進(jìn)行傳遞和分擔(dān)。根據(jù)傳遞的總水平力對(duì)凹凸折板咬合式變形縫企口抗剪、抗壓進(jìn)行了驗(yàn)算和設(shè)計(jì)。最終選用a=75mm，L1=142 mm，L2=112mm的凹凸折板咬合縫形式。企口的壓應(yīng)力為1. 93MPa、剪應(yīng)力為0. 627MPa，均滿足C30混凝土的受壓、受剪強(qiáng)度要求。
4.2湛江某高層住宅項(xiàng)目
該項(xiàng)目地下室尺寸為234m×136m，地下3層，設(shè)計(jì)采用凹凸折板咬合式變形縫對(duì)地下室樓蓋進(jìn)行了分塊，具體見圖10。計(jì)算嵌固端設(shè)于地下室頂板，考慮到凹凸折板咬合式變形縫有可能因樓蓋混凝土收縮而分離開，．失去傳遞壓應(yīng)力、剪應(yīng)力的能力，特要求在低溫季節(jié)覆土前對(duì)地下室頂板變形縫縫寬進(jìn)行檢查，縫寬大于5mm時(shí)，采用水泥漿進(jìn)行灌漿填縫。目前項(xiàng)目已封頂完工，地下室樓板未發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂縫，效果良好。
5 結(jié)語
超長地下室樓板開裂主要是由收縮拉應(yīng)力引起的，而板內(nèi)的壓應(yīng)力、剪應(yīng)力的存在對(duì)結(jié)構(gòu)是有利的，因此，采用僅釋放拉應(yīng)力的凹凸折板咬合式變形縫構(gòu)造，可以較好地實(shí)現(xiàn)釋放樓蓋拉應(yīng)力，傳遞壓應(yīng)力、剪應(yīng)力的性能目標(biāo)。凹凸折板咬合式變形縫設(shè)計(jì)，需對(duì)其在各種工況下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力、變形進(jìn)行分析，采取針對(duì)性設(shè)計(jì)及施工措施，方能達(dá)到預(yù)期效果。
