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摘要：随着大量超长超大地下室的应用，考虑不周、设计不当、管理失控等原因造成的地下室结构裂渗等“病害”时有发生。地下室开裂，特别是侧墙开裂，就会引起地下室渗水，并诱发钢筋锈蚀，从而影响建筑物的使用功能，进而降低建筑物的耐久性。地下室一旦开裂，就要投入大量的人力物力采取补救措施，而这个过程往往需要耗费比建造结构多得多的代价，同时还延误了工期。不解决地下室开裂问题，将给我国的经济建设带来巨大的损失。
关键词：地下室；侧墙；抗裂；混凝土
一、地下室侧墙开裂的原因
1.混凝土收缩与收缩当量温差
混凝土是由胶凝材料、水和粗、细骨料按适当比例配合、拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。混凝土在空气中结硬时体积缩小(成为收缩)；在水中结硬时体积膨胀，这些都属于体积变形，与外力作用无关。实验和工程实践发现：混凝土收缩变形的规律是先快后慢，在混凝土浇筑后两周内可完成全部收缩的25％左右，一个月约可完成50％，三个月以后收缩速度减缓，6个月时可完成全部收缩的80％～90％，一般情况下，两年收缩值趋向稳定。普通混凝土的最终收缩应变值大约为(1-6)×10-4；轻骨料混凝土的收缩值稍大，約为(4-7)×10-4。
混凝土浇筑后初凝到终凝之前的这段时间里，水泥水化反应剧烈进行，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发现象，引起失水收缩，同时还伴随着骨料与胶合料之间的均匀沉缩变形，这两种变形都发生在混凝土终凝之前，即塑性阶段，故称为塑性收缩。塑性收缩的量级很大，最多可达1％，因而，在混凝土发生塑性收缩的这段时间内，如果养护不力，就会在混凝土表面产生又宽又密的表面龟裂。水灰比过大、水泥用量大、外加剂保水性差、粗骨料少、用水量大、振捣不良、环境温度高、表面失水大等都是导致塑性收缩表面开裂的原因。当前工程中塑性收缩裂缝大量出现是与工程中使用的泵送商品混凝土水灰比大、水泥用量大、用水量大等原因分不开的。另外，地下室外墙厚度较薄，失水较快，更容易开裂，对此如果工程中不采取足够的措施，塑性收缩就会引起地下室侧墙开裂。塑性裂缝虽然是一种表面裂缝，但是这种裂缝多沿着钢筋表面开展，因而会导致钢筋锈蚀进而影响结构的耐久性。
2.侧墙整体降温条件下的温度应力
侧墙整体降温条件下的温度应力计算需要考虑基础对侧墙的约束作用，它不仅与侧墙结构长高比有关，还与侧墙长度有关。其特殊性表现在：(1)由于地下室墙体的结构位置及受力特点，决定了地下室外墙所用的混凝土一般强度较高而且多用流动性较大、坍落度较高的商品混凝土，因此是施工过程中的温度变形和收缩变形都比较大；(2)墙板为竖向结构，养护极为困难，这加剧了混凝土的收缩变形；(3)由于墙板在厚度方向的几何尺寸相对较小，所以墙板内各点的温度变化受外界温度变化影响较大；(4)地下室外墙平面尺寸与一般大体积混凝土不同，使得墙板收到基础较大的约束作用。
3.徐变的作用
地下室施工过程中涉及到混凝土徐变变形和应力松驰的产生有相同的机理相同。是同一机理的两种不同表现。混凝土徐变的主要影响因素有应力水平，加载龄期，原材料及配比，制作及养护条件，使用期的环境和构件尺寸等。在大体积混凝土结构中，徐变能降低混凝土的温度应力，从而减少收缩裂缝，有时被用于裂缝控制，但是，徐变也有不利的一面，如在预应力混凝土结构中，徐变会引起预应力损失因此宜综合考虑徐变的作用。
二、地下室侧墙预应力设计
预应力结构通过对构件进行预压，可以在结构内部产生预压应力，从而抵消混凝土温度收缩和干缩过程中产生的拉应力，使结构不开裂或减小裂缝宽度。正是由于预应力混凝土技术的这一特点，近年来，预应力混凝土在超长地下室工程的底面、顶面和侧墙中获得了越来越多地应用。但是，应用预应力抗裂技术对预应力的设计有较高的要求，结构中实际获得的预应力数值是否与设计值相近，直接关系到预应力抗裂的效果。
墙式构件的预应力设计有其特殊性，它的底边受到基础对它的连续约束作用，属于连续约束构件，而当前的设计依据是《混凝土结构设计规范》(GB50010．2002)和《无粘结预应力混凝土结构技术规程》(JCJ/T92．1993)这两部规范。对墙式构件预应力的设计是参照集中约束构件的方法设计的。但实际上由于墙式构件受到较大的墙下基础约束，在两端施加预应力后在墙内产生的预应力场远比集中约束构件中的预应力场复杂，在墙中间截面获得的预应力大小与墙长、墙长高比和基础约束程度有关。那么，这些因素对侧墙上实际建立的预应力值的影响到底有多大，它们的关系究竟如何，这都需要进一步研究。另外，既然在墙式构件中简单套用梁式构件的设计方法是不够严谨的，那么就有必要对受基础连续约束侧墙的预应力设计方法展开研究，以便更有效、更合理地进行侧墙预应力设计。
1.计算温度收缩应力。
要计算温度收缩应力，首先按照实际情况取定计算参数，包括混凝土线膨胀系数、弹性模量以及所选取的预应力筋的强度、当量面积、弹性模量等；然后确定计算温差，最后按公式(1.1)计算混凝土墙中间的截面温度收缩应力。
（1.1）
式中：KR ——考虑受到梁、板、柱等不完全刚性约束后的折减系数，根据经验选择，完全刚性时取1，无约束时取0，其余取0≤KR≤1；
a ——混凝土热膨胀系数，一般取1×10-5；
Eb——折减后的混凝土抗压模量，一般可按50％折减；
△T——计算温差，考虑了混凝土收缩，将其等效为等效温差。
2、将单束预应力筋产生的压力等效为每米墙高上的平均压应力。
因为预应力筋为温度筋，筋形主要为直线预应力。设计时，预应力钢筋沿墙长度方向布置。单束预应力筋在每米高墙上的平均压应力为：
(2.1)
式中：A——每米高墙板的面积(mm2)，A=txl000，t为墙厚度(rnm)；
Ap1——单束预应力钢筋的面积(mm2)；
——单束预应力钢筋的有效预应力，
——第i项预应力损失；有时为简单起见，也可近似取∑=o.25；
即。
3、计算预应力配置数。
根据墙体的抗裂等级，选择预应力钢筋的配置数量刀，可按下式计算：
(2.2)
式中：f——混凝土抗拉强度，根据抗裂等级选择。
对f的选择，可根据《规范》中关于抗裂等级的规定8.1.1条进行选取：对严格要求不出现裂缝的预应力混凝土构件(一级)，取f=0；对一般要求不出现裂缝的构件(二级)，
取f=ftk。
从上看出，现行设计方法是参照集中约束构件来计算的，墙中间截面预应力值与墙端施加的预应力值相同，这显然是不合理的。容易想象，由于基础对侧墙底部约束的存在，沿着墙长方向施加到混凝土上的预应力值会逐渐衰减。为了更好的验证这一现象，通过有限元软件ABAQUS分析了墙高为4m的地下室侧墙预应力张拉后墙中间截面实际预应力值。模拟计算得到的墙中间截面获得的预应力值与墙长度的关系图如图2.1。
图中cx是基础对侧墙的水平阻力系数，它表征了基础对侧墙约束作用的大小，cx越大则这种约束作用越大，在下一节中将对cx进行更深入的研究。从图中不难看出，随着墙长度的增加，施加预应力后在混凝土墙中间截面实际获得的预应力值逐渐减小，这种趋势随着水平阻力系数cx的增加而更加明显。当cx=3N/mm3时，墙长为40m时的预应力值比墙长为10m时的减小达82％之多，这是相当惊人的；当基础对侧墙的约束较弱的情况下，取cx0.6N/mm3时，预应力减小量相对减小，但仍然高达47％。由此可见，现有设计方法中不考虑墙长对墙中间截面预应力值的影响，这将会严重高估计该处预应力值，导致实际获得预应力远达不到预期预应力值，造成预应力抗裂效果不佳。
参考文献：
[1]ACI Committee 207，Effect of Restraint，Volume Change and Reinforcement onCracking of Massive Concrete[S]．
[2]翟燕翔，钱英欣．预应力抵抗超长结构温度应力的应用[J]．建筑技术开发，2004，31(7)：33-34．
[3]潘立．超长混凝土连续结构中钢绞线预应力筋连接构造的力学分析叨．建筑科学，2006，22(2)：43．48．
[4]潘立．超长混凝土连续结构中预应力筋的合理连接方法[J]．建筑科学，2004，20(4)：
[5]张治宇，金伟良．考虑收缩的大型连续地下室结构预应力设计方法[J]．施工技术，2007，36(10)
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：地下室；侧墙；抗裂；混凝土
一、地下室侧墙开裂的原因
1.混凝土收缩与收缩当量温差
混凝土是由胶凝材料、水和粗、细骨料按适当比例配合、拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。混凝土在空气中结硬时体积缩小(成为收缩)；在水中结硬时体积膨胀，这些都属于体积变形，与外力作用无关。实验和工程实践发现：混凝土收缩变形的规律是先快后慢，在混凝土浇筑后两周内可完成全部收缩的25％左右，一个月约可完成50％，三个月以后收缩速度减缓，6个月时可完成全部收缩的80％～90％，一般情况下，两年收缩值趋向稳定。普通混凝土的最终收缩应变值大约为(1-6)×10-4；轻骨料混凝土的收缩值稍大，約为(4-7)×10-4。
混凝土浇筑后初凝到终凝之前的这段时间里，水泥水化反应剧烈进行，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发现象，引起失水收缩，同时还伴随着骨料与胶合料之间的均匀沉缩变形，这两种变形都发生在混凝土终凝之前，即塑性阶段，故称为塑性收缩。塑性收缩的量级很大，最多可达1％，因而，在混凝土发生塑性收缩的这段时间内，如果养护不力，就会在混凝土表面产生又宽又密的表面龟裂。水灰比过大、水泥用量大、外加剂保水性差、粗骨料少、用水量大、振捣不良、环境温度高、表面失水大等都是导致塑性收缩表面开裂的原因。当前工程中塑性收缩裂缝大量出现是与工程中使用的泵送商品混凝土水灰比大、水泥用量大、用水量大等原因分不开的。另外，地下室外墙厚度较薄，失水较快，更容易开裂，对此如果工程中不采取足够的措施，塑性收缩就会引起地下室侧墙开裂。塑性裂缝虽然是一种表面裂缝，但是这种裂缝多沿着钢筋表面开展，因而会导致钢筋锈蚀进而影响结构的耐久性。
2.侧墙整体降温条件下的温度应力
侧墙整体降温条件下的温度应力计算需要考虑基础对侧墙的约束作用，它不仅与侧墙结构长高比有关，还与侧墙长度有关。其特殊性表现在：(1)由于地下室墙体的结构位置及受力特点，决定了地下室外墙所用的混凝土一般强度较高而且多用流动性较大、坍落度较高的商品混凝土，因此是施工过程中的温度变形和收缩变形都比较大；(2)墙板为竖向结构，养护极为困难，这加剧了混凝土的收缩变形；(3)由于墙板在厚度方向的几何尺寸相对较小，所以墙板内各点的温度变化受外界温度变化影响较大；(4)地下室外墙平面尺寸与一般大体积混凝土不同，使得墙板收到基础较大的约束作用。
3.徐变的作用
地下室施工过程中涉及到混凝土徐变变形和应力松驰的产生有相同的机理相同。是同一机理的两种不同表现。混凝土徐变的主要影响因素有应力水平，加载龄期，原材料及配比，制作及养护条件，使用期的环境和构件尺寸等。在大体积混凝土结构中，徐变能降低混凝土的温度应力，从而减少收缩裂缝，有时被用于裂缝控制，但是，徐变也有不利的一面，如在预应力混凝土结构中，徐变会引起预应力损失因此宜综合考虑徐变的作用。
二、地下室侧墙预应力设计
预应力结构通过对构件进行预压，可以在结构内部产生预压应力，从而抵消混凝土温度收缩和干缩过程中产生的拉应力，使结构不开裂或减小裂缝宽度。正是由于预应力混凝土技术的这一特点，近年来，预应力混凝土在超长地下室工程的底面、顶面和侧墙中获得了越来越多地应用。但是，应用预应力抗裂技术对预应力的设计有较高的要求，结构中实际获得的预应力数值是否与设计值相近，直接关系到预应力抗裂的效果。
墙式构件的预应力设计有其特殊性，它的底边受到基础对它的连续约束作用，属于连续约束构件，而当前的设计依据是《混凝土结构设计规范》(GB50010．2002)和《无粘结预应力混凝土结构技术规程》(JCJ/T92．1993)这两部规范。对墙式构件预应力的设计是参照集中约束构件的方法设计的。但实际上由于墙式构件受到较大的墙下基础约束，在两端施加预应力后在墙内产生的预应力场远比集中约束构件中的预应力场复杂，在墙中间截面获得的预应力大小与墙长、墙长高比和基础约束程度有关。那么，这些因素对侧墙上实际建立的预应力值的影响到底有多大，它们的关系究竟如何，这都需要进一步研究。另外，既然在墙式构件中简单套用梁式构件的设计方法是不够严谨的，那么就有必要对受基础连续约束侧墙的预应力设计方法展开研究，以便更有效、更合理地进行侧墙预应力设计。
1.计算温度收缩应力。
要计算温度收缩应力，首先按照实际情况取定计算参数，包括混凝土线膨胀系数、弹性模量以及所选取的预应力筋的强度、当量面积、弹性模量等；然后确定计算温差，最后按公式(1.1)计算混凝土墙中间的截面温度收缩应力。
（1.1）
式中：KR ——考虑受到梁、板、柱等不完全刚性约束后的折减系数，根据经验选择，完全刚性时取1，无约束时取0，其余取0≤KR≤1；
a ——混凝土热膨胀系数，一般取1×10-5；
Eb——折减后的混凝土抗压模量，一般可按50％折减；
△T——计算温差，考虑了混凝土收缩，将其等效为等效温差。
2、将单束预应力筋产生的压力等效为每米墙高上的平均压应力。
因为预应力筋为温度筋，筋形主要为直线预应力。设计时，预应力钢筋沿墙长度方向布置。单束预应力筋在每米高墙上的平均压应力为：
(2.1)
式中：A——每米高墙板的面积(mm2)，A=txl000，t为墙厚度(rnm)；
Ap1——单束预应力钢筋的面积(mm2)；
——单束预应力钢筋的有效预应力，
——第i项预应力损失；有时为简单起见，也可近似取∑=o.25；
即。
3、计算预应力配置数。
根据墙体的抗裂等级，选择预应力钢筋的配置数量刀，可按下式计算：
(2.2)
式中：f——混凝土抗拉强度，根据抗裂等级选择。
对f的选择，可根据《规范》中关于抗裂等级的规定8.1.1条进行选取：对严格要求不出现裂缝的预应力混凝土构件(一级)，取f=0；对一般要求不出现裂缝的构件(二级)，
取f=ftk。
从上看出，现行设计方法是参照集中约束构件来计算的，墙中间截面预应力值与墙端施加的预应力值相同，这显然是不合理的。容易想象，由于基础对侧墙底部约束的存在，沿着墙长方向施加到混凝土上的预应力值会逐渐衰减。为了更好的验证这一现象，通过有限元软件ABAQUS分析了墙高为4m的地下室侧墙预应力张拉后墙中间截面实际预应力值。模拟计算得到的墙中间截面获得的预应力值与墙长度的关系图如图2.1。
图中cx是基础对侧墙的水平阻力系数，它表征了基础对侧墙约束作用的大小，cx越大则这种约束作用越大，在下一节中将对cx进行更深入的研究。从图中不难看出，随着墙长度的增加，施加预应力后在混凝土墙中间截面实际获得的预应力值逐渐减小，这种趋势随着水平阻力系数cx的增加而更加明显。当cx=3N/mm3时，墙长为40m时的预应力值比墙长为10m时的减小达82％之多，这是相当惊人的；当基础对侧墙的约束较弱的情况下，取cx0.6N/mm3时，预应力减小量相对减小，但仍然高达47％。由此可见，现有设计方法中不考虑墙长对墙中间截面预应力值的影响，这将会严重高估计该处预应力值，导致实际获得预应力远达不到预期预应力值，造成预应力抗裂效果不佳。
参考文献：
[1]ACI Committee 207，Effect of Restraint，Volume Change and Reinforcement onCracking of Massive Concrete[S]．
[2]翟燕翔，钱英欣．预应力抵抗超长结构温度应力的应用[J]．建筑技术开发，2004，31(7)：33-34．
[3]潘立．超长混凝土连续结构中钢绞线预应力筋连接构造的力学分析叨．建筑科学，2006，22(2)：43．48．
[4]潘立．超长混凝土连续结构中预应力筋的合理连接方法[J]．建筑科学，2004，20(4)：
[5]张治宇，金伟良．考虑收缩的大型连续地下室结构预应力设计方法[J]．施工技术，2007，36(10)
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。