[摘要] 影响 复合式地铁车站内衬墙开裂的原因较为复杂。本文通过对复合式地铁车站内衬墙进行有限元 分析 模拟,将结果与实测相互对照,并对其内衬墙开裂的主要原因进行探讨。
[关键词]复合式地铁车站;内衬墙;开裂
目前 地铁车站侧墙形式主要有复合式、分离式和单墙结构3种,而后2种形式仅在个别车站试用,复合式结构地铁车站是目前主要的结构形式。在各种荷载的综合影响下,地铁往往会有混凝土开裂和渗漏的现象[1~3]。渗漏水的存在,会危及地铁的运营及设备安全,缩短混凝土结构的使用寿命。由于引起混凝土开裂的原因较为复杂,对于复合式地铁车站的混凝土结构,造成其开裂渗漏的机理一直受到工程界的关注。
1 地铁车站内衬墙裂缝分布形态
文献 [2]对我国复合式地铁车站开裂实例作了 总结 ,从中可得出其在段间内衬墙处产生开裂具有以下2个主要特点。
1)引起渗漏的宏观裂缝大多集中于内衬墙与顶板及内衬墙与底板相交的部位,也有部分宏观裂缝靠近中板与内衬墙相交的部位,且方向大都垂直于纵轴方向。
2)在某些特殊部位,如衬墙的支撑头或穿墙管附近也常出现宏观裂缝。在支撑头处产生的裂缝一般起始于支撑头处而向顶板或底板方向延伸。
2 内衬墙有限元建模及分析
本文采用ANSYS对内衬墙进行有限元仿真模拟分析。地铁车站的混凝土结构属于超长大面积结构,一般而言,这种结构的变形由两部分组成:①混凝土材料的收缩变形;②混凝土的温度变形。目前工程中通常的处理 方法 是把收缩变形变换成等效的当量温度, 然后叠加以真实温度得到综合温度。本文在对内衬墙模拟时,定义内衬墙的综合温降为-5℃( 参考 温度为0℃),并得出其主拉应力场,进而对裂缝发生的地点及 发展 趋势进行推测,最后与国内地铁车站内衬墙实测裂缝分布形态相对照,从而对地铁车站的开裂原因进行探讨。由于本文意在寻求地铁车站开裂的主要原因,而非得到地铁车站真实的主拉应力场,即本文采用有限元模拟分析的目的是定性探求,而非定量分析。故此,本文采用弹性分析方法对地铁车站内衬墙进行有限元模拟分析。
2.1 复合式地铁车站建模
复合式地铁车站一般是截面不变的纵长结构,且每2个诱导缝间结构形式基本相同,故本文的数值模拟对象为两诱导缝间的复合式地铁结构且采用拉伸式建模方法。这种方法是先生成地铁车站截面,然后对截面划分网格再将划分网格的截面沿线拉伸而生成地铁车站模型(见图
1)。
2.2 模拟结果及分析
在只考虑综合温度影响的工况下,ANSYS模拟内衬墙第一主应力分布如图2~4所示。从图
3、4应力分布可知:内衬墙靠近顶板、底板,的地方应力线大致呈平行分布,越靠近顶板、底板,主拉应力越大,且应力值均超过普通混凝土的抗拉强度。由此可推断,内衬墙在靠近顶板、底板的地方出现宏观裂缝的机率较大,且开裂方向在段间应与纵轴线大致垂直。而这些预测与地铁车站内衬墙裂缝分布形态相吻合。从图4的应力分布可得,在支撑头或穿墙管造成的孔洞附近会产生较为明显的应力集中,且靠近顶板或底板的孔洞边缘处的应力集中系数较孔洞其它部位大。由此不难推断,支撑头或穿墙管附近出现宏观裂缝的机率也较大,且裂缝延伸方向趋向于离孔较近的顶板或底板。而对孔洞附近开裂的预测也完全与文献[2]中的实测相吻合。这就证明本文所提复合式地铁车站的建模、荷载定义用约束定义均正确合理。
3 地铁车站开裂原因的 分析 探讨
对于混凝土开裂,国内外已做了大量的 研究 ,国内抗裂专家王铁梦[4]提出裂缝形成的主要原因有3类:①由外荷载(如静、动荷载)的直接应力,即按常规 计算 的主要应力引起的裂缝;②外荷载作用,结构次应力而引起的裂缝;③由变形变化受到约束而引起的裂缝。
在本文的模拟过程中,采用的荷载为温度体荷载(-5℃),约束定义为两端施以钢筋(link
8),对支撑头或穿墙管造成的孔洞加以完全约束。由模拟结果与实测结果完全吻合可证明,复合式地铁车站内衬墙开裂主要由第3类荷载,即由温降和干缩等因素形成的综合温度降低而引起的温度体荷载引起。
具体分析,对于内衬墙靠近顶板或底板的混凝土,当其要求产生收缩变形时,受到顶板或底板的约束而得不到满足,故此产生较大的拉应力,当拉应力超过混凝土抗拉强度时,便产生宏观裂缝,从而引起渗漏。对于支撑头或穿墙管孔洞处的混凝土,当其要求发生收缩变形时,受到支撑头或穿墙管的固定约束,从而产生拉应力,且伴有明显的应力集中,应力集中系数较大的地方会先产生开裂而引起渗漏。
从上述分析不难得出,复合式地铁车站内衬墙的裂缝起因是结构首先要求变形,当变形得不到满足时才引起应力,而且应力还与结构的刚度有关,只有当应力超过一定数值才会引起开裂。裂缝出现后,变形得到满足或部分满足,同时开裂处结构刚度下降,应力就发生松弛。所以,即使材料强度不高,但如有良好的韧性,能够适应收缩变形的需要,也可提高其抗裂性能。鉴于此,笔者认为在内衬墙靠近顶、底板和支撑头等处的混凝土适当加入一些增韧材料,如钢纤维等,也可提高混凝土的抗裂性能。但对于纤维混凝土的增韧机理,人们认识仍不透彻,故此纤维增韧抗裂在地铁车站的有效 应用 还需要大量的试验与 理论 研究,才能为地铁车站抗裂防渗提供一个切实可行的 方法 和思路。
4 结语
1)在 影响 复合式地铁车站内衬墙开裂渗漏的所有因素中,综合温度场的变化而引起的变形荷载是造成内衬墙开裂渗漏的最主要原因。因此,在有限元对复合式地铁车站进行数值分析时,可将重点放在计算综合温降和结构所受约束方面。
2)针对复合式地铁车站所受荷载的特性,即属于变形荷载的特点,可在一些约束较强或应力集中处加入增韧材料,以提高局部抗裂韧性,从而在一定程度上有效地解决地铁车站内衬墙开裂渗漏的 问题 。
参考 文献 :[2] 薛绍祖.上海地铁一号线结构防水[J].施工技术,1996,
(4).
[3] 何克文.北京地铁西单车站渗漏水治理技术[J]. 现代 隧道技术,1998,
(6).
[4] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京: 中国 建筑 工业 出版社,1997.