地铁车站侧墙混凝土温度应力的多因素影响分析.pdf
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1、第 卷第 期 年 月水利与建筑工程学报 ,:收稿日期:修稿日期:基金项目:河南省重点研发与推广专项(科技攻关)项目()作者简介:武坤朋(),男,高级工程师,主要从事轨道交通工程方面的工作。:通讯作者:周集权(),男,硕士研究生,研究方向为混凝土温度应力。:地铁车站侧墙混凝土温度应力的多因素影响分析武坤朋,周集权,张照杰,王晓睿(郑州地铁集团有限公司,河南 郑州 ;华北水利水电大学 地球科学与工程学院,河南 郑州 ;中铁十六局集团有限公司,北京 )摘要:针对地铁车站结构侧墙施工期出现的开裂问题,分析侧墙开裂原因,采用 有限元软件,对其用户子程序二次开发,模拟混凝土的温度场和应力场随时间的发展变化
2、过程,分析混凝土的不同入模温度、不同模板支护方式和外界气温骤降对温度应力的影响,以及地铁车站侧墙混凝土温度应力的变化规律。结果表明:混凝土内部温度峰值时刻不是内外温差最大时刻,随着入模温度的升高,温度应力增大;采用钢模板支护能降低内部温度峰值,采用木模板支护能降低内外温差;外界气温骤降引起的混凝土表面温度应力较大,开裂风险较高。影响大体积混凝土温度应力的因素应考虑入模温度、模板类型(钢或木模板)和外界气温综合因素的影响,该研究可为类似工程提供参考。关键词:地铁车站;水化热;二次开发;温度应力;数值分析中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,;,;,):,():;随着城市化进程的加快,交通拥
3、堵问题日益严重,越来越多的城市通过建设地铁来缓解交通压力。其中地铁车站作为乘客候车和换乘的场所,需要满足更大空间的需求,所以车站结构也逐渐大体积化。然而大体积混凝土在浇筑过程中会产生水泥水化热,并与外界大气进行热交换,使混凝土内部温度高,表面温度低,由温度变化引起的变形受到约束产生了温度应力,当温度应力超过混凝土的抗拉强度,结构会产生裂缝,从而破坏了结构整体性,带来较大的危害 。为了防止裂缝的产生,需要研究混凝土温度应力的变化规律,并控制温度应力不超过允许拉应力。国内外有不少关于大体积混凝土浇筑过程中温度应力的研究。陈坤泉 认为温度和收缩是地铁车站顶板开裂的主要原因,并运用 模拟了地铁车站顶板
4、的温度场和应力场,分析出易开裂的部位。韦洁莹 通过 有限元软件对大体积混凝土沉管管节的水化温度场及应力场进行仿真分析,讨论了施工因素对其温度场和应力场的影响。韩宇聪等 采用现场监测和数值计算相结合的方法,分析了地铁车站底板的温度应力的变化规律。陈得良等 根据地铁车站大体积混凝土温度应力的计算结果,分析了裂缝成因和分布特征。李潘武等 模拟了不同浇筑温度条件下大体积混凝土的温度场和温度应力变化情况,随着浇筑温度的增加,内外温差增大,温度应力也越大。王瑞骏等 对气温骤降条件下面板温度场和温度应力进行了仿真分析,并 提 出 了 保 温 措 施。等 通过有限元分析和现场监测,认为不超过混凝土中心和表面之
5、间的温差尤为重要,过高的温度梯度会导致温度应力增大,这是超过抗拉强度并导致开裂的主要原因。等 通过数值预测模型与现场测量比较,探究了大体积混凝土底板的早期开裂风险。等 进行了弹性模量试验和温度应力试验,提出了预测大体积混凝土结构温度应力的方法。目前,以地铁车站为背景的大体积混凝土温度应力的研究较少,并且地铁车站侧墙早期开裂引起的渗漏水问题较为严重。因此,本文以郑州轨道 号线西周站结构侧墙施工过程为背景,分析结构侧墙开裂原因,利用 有限元软件,通过对 、和 用户子程序二次开发,建立地铁车站侧墙有限元模型,对混凝土的不同入模温度、不同模板支护方式和外界气温骤降进行模拟,研究温度应力的变化规律,分析
6、侧墙混凝土的中心温度、内外温差、最大拉应力的变化趋势,以期为地铁工程提供参考价值。地铁车站侧墙开裂情况及分析 工程调研郑州轨道 号线西周站位于黄河南路和商都路交叉路口北侧,车站外包总长 ,有效站台长 ,宽 ,车站采用地下三层双柱三跨矩形框架结构。在西周站主体结构的建设期间,发现车站侧墙的渗漏水问题较为严重,因此初步统计了侧墙每个单元内引起渗漏水的裂缝数目如表 所示,根据统计结果绘制饼状图 。表 地铁车站侧墙渗漏裂缝数目统计侧墙单元一二三四五六七八负三层 负二层负一层由表 可知,西周站侧墙总计 处引起渗漏水的裂缝,负三层侧墙混凝土裂缝出现了 处渗漏水,负二层侧墙混凝土裂缝出现了 处渗漏水,负一层
7、侧墙混凝土裂缝出现了 处渗漏水。位于西周站主体结构中部的四、五单元负三层侧墙混凝土裂缝的渗漏水尤为严重,这部分侧墙的施工期较晚;位于车站两端的侧墙渗漏水较少,此时两端头的中板还没有浇筑。图 侧墙各层渗漏裂缝占比由图 可知,负三层侧墙混凝土渗漏裂缝占全部渗漏裂缝的 左右,负二层占 左右,负一占 左右,负三层渗漏裂缝数多于负一层与负二层之和,负一层比负二层稍多。然而,实际上负二层侧墙的裂缝数目要比负一层的多,主体结构完成的两个月后,进入夏季,此时降雨多且降雨量大,从而导致负一层侧墙的渗漏水表现明显。对西周站侧墙混凝土裂缝进行照片采集,通过第 期 武坤朋,等:地铁车站侧墙混凝土温度应力的多因素影响分
8、析整理、对比、归纳和分析,地铁车站侧墙混凝土裂缝分布特征可以大致归结为以下四大类,裂缝特征如图 所示。图 侧墙裂缝特征()第一类裂缝:位于与中板一起浇筑的侧墙上部水平施工缝处,可向上延伸至腋角或中板处,长度为 不等,宽度多为 ,相邻裂缝间距不足 ,最先出现湿渍,而后发展成线漏,常出现多处密集渗漏点,该部分裂缝渗漏集中出现于拆模后 个月以后。()第二类裂缝:位于侧墙与底板处的水平施工缝处,大多为竖向裂缝,周围也存在细小不规则的裂缝,向上延伸 不等,贯穿性较强,渗漏水部位会向上迁移,宽度多为 ,相邻裂缝间距以上,渗漏水问题尤为严重,可能出现滴漏现象,该部分裂缝渗漏集中出现于拆模后 个月以后。()第
9、三类裂缝:常出现在负二层侧墙,斜向 ,长度为 不等,宽度多为 ,裂缝周围存在很多细小裂缝,析出白色钙质物较多。水与混凝土中的 化合生成 (),易溶解于水的矿物质顺着裂缝向车站内渗出,与空气中 反应形成 ,形成白色的析出物。()第四类裂缝:大多为没有造成渗漏的裂缝,是表面裂缝或浅层裂缝,长度差别较大,宽度为 以下,裂缝危害较小,但影响结构物美观,需要抹平处理。结构侧墙开裂分析地铁车站混凝土开裂是来自于材料、环境、结构、施工等众多因素共同影响的结果。材料包括混凝土原材料、基本配合比参数、功能材料等,环境主要是温度、风速,结构因素主要是部位、尺寸、约束条件,施工因素包括入模温度、拆模时间、模板类型等
10、。地铁车站侧墙施工期产生的裂缝,主要是混凝土温度收缩和干燥收缩造成的,其中以温度收缩为主。由于混凝土表面与空气直接接触,导致其散热速度较快,在升温或降温阶段,表面的温度明显低于内部温度,即使在混凝土硬化后期,仍导致混凝土内外产生温差。西周站主体结构底板浇筑 周甚至 个月以上,侧墙才开始进行混凝土浇筑,先浇筑的混凝土底板,使后浇筑的侧墙混凝土受到强烈的外部约束。位于西周站中部四单元侧墙浇筑时间最晚,与相邻的五单元侧墙相差 个月,侧面同样受到强烈外部约束,侧墙的下部将承受较大的外部约束温度应力,横向钢筋抗拉能力强,而纵向钢筋抗拉能力弱,纵向混凝土承受的拉应力远大于横向。在外部约束温度应力和内部约束
11、温度应力的共同作用下,当拉应力超过混凝土同一时间的抗拉强度时,侧墙产生竖向裂缝,从侧墙底部向上延伸,且具有裂缝长度长和密集分布等特点,并且大多数是贯穿性裂缝并引起渗漏水现象。先浇筑的中板对后浇的侧墙产生外部约束,限制了侧墙混凝的收缩变形,横、纵方向产生大致相等的温度应力,因而产生斜向裂缝。通过整理中铁十六局实验室的试验数据积累和西周站现场情况分析,得出地铁车站混凝土裂缝主要影响因素及其影响程度如表 所示。表 地铁车站混凝土裂缝主要影响因素及其影响程度影响因素类别参数影响程度显著较显著一般水泥集料混凝土原材料掺合料外加剂水胶比模板入模温度施工因素分段长度环境温度混凝土工作性配筋形式其他约束条件水
12、利与建筑工程学报第 卷混凝土水化热的温度应力是造成地铁车站侧墙早期裂缝的主要原因之一,温度应力的主要影响因素包括混凝土的弹性模量、结构的约束程度、温度变化程度。水泥型号、用量和矿物掺合料等因素对混凝土水化热的大小以及放热速率会产生显著影响,入模温度、分段浇筑长度和模板类型等施工工艺因素会影响最大温升以及降温速率,所以降低放热总量和优化放热历程是控制裂缝的有效途径。而不同结构的温度应力也不同,控制温度应力,不但要控制温度,还要改善约束条件,需要研究温度应力的变化规律。模型建立与分析方法 计算模型采用有限元软件 对西周站负三层侧墙进行数值建模,墙体长为 ,高为 ,厚度为 。内、外侧水平钢筋为 ,竖
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