郭智剛,程道來,董文澎,潘偉強(qiáng),劉 沛

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)軌道交通學(xué)院,上海 200235； 2.上海隧道工程有限公司,上海 200092)

目前國內(nèi)外在飽和軟弱地層上修建的地鐵車站長度大多數(shù)都超過百米。因此，在施工和運(yùn)營過程中地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)因溫度變化和不均勻沉降等各種因素會(huì)產(chǎn)生縱向應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂。國內(nèi)外一般處理車站開裂方式是在車站襯墻內(nèi)設(shè)置誘導(dǎo)縫。誘導(dǎo)縫是具有一定抗彎剛度和防止剪切移動(dòng)接縫張開頂部大底部小、寬度很小的變形縫，是一種特殊的變形縫，但誘導(dǎo)縫和變形縫因構(gòu)造和施工方法不同，在性能上存在顯著差別[1-5]。設(shè)置誘導(dǎo)縫，使結(jié)構(gòu)所在的截面剛度削弱。當(dāng)溫度變化、混凝土收縮徐變、結(jié)構(gòu)不均勻沉降等情況發(fā)生時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化，這樣會(huì)使誘導(dǎo)縫所在的結(jié)構(gòu)截面先行開裂，從而避免混凝土結(jié)構(gòu)其他截面出現(xiàn)裂縫。因此，誘導(dǎo)縫的設(shè)置會(huì)使車站結(jié)構(gòu)裂縫有序的產(chǎn)生、發(fā)展，從而減少裂縫對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)的危害[6-7]。研究表明[8-16]，在車站襯墻處設(shè)置誘導(dǎo)縫，可有效控制因溫度變化和不均勻沉降引起的裂縫擴(kuò)展。

目前國內(nèi)地鐵車站結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)縫常以20～30 m為間距，普遍使用的誘導(dǎo)縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為兩種：雙柱式誘導(dǎo)縫和梁板式誘導(dǎo)縫[2]。工程中雙柱式誘導(dǎo)縫因其施工復(fù)雜應(yīng)用則較少，以梁板式的誘導(dǎo)縫應(yīng)用最多。然而誘導(dǎo)縫的位置和數(shù)量的設(shè)置還是憑施工經(jīng)驗(yàn)來確定，以及影響誘導(dǎo)縫的設(shè)置因素還很復(fù)雜。因此本文以上海市軌道交通17號(hào)線青浦站為項(xiàng)目背景，考慮誘導(dǎo)縫的位置、間距、內(nèi)襯墻厚度、頂板和襯墻分開與整體施工澆筑等影響因素，對(duì)車站進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算，為誘導(dǎo)縫在地鐵車站裂縫防治中的設(shè)置提供優(yōu)化措施和建議。

1 數(shù)值建模與計(jì)算分析

1.1 工程背景

上海市軌道交通17號(hào)線青浦站全長165 m，結(jié)構(gòu)形式是地下二層島式車站。該車站主體外圍是800 mm厚地下連續(xù)墻，埋置深度為28.0～32.0 m，車站基坑開挖深度15.8～17.8 m。側(cè)墻與板分開澆筑，每段結(jié)構(gòu)分5次澆筑。地連墻與襯墻為復(fù)合式結(jié)構(gòu)形式，梁、板和側(cè)墻混凝土均采用C35混凝土，有耐久性要求，底板、中板、頂板和襯墻混凝土抗?jié)B等級(jí)為P8。

1.2 數(shù)值建模

齊峰等[19]采用有限元軟件對(duì)復(fù)合式地鐵車站進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與車站裂縫的實(shí)測分布基本吻合，驗(yàn)證了有限元建模模擬思路及參數(shù)選取的基本合理性。因此，本文采用文獻(xiàn)[19]地鐵車站有限元建模分析方法，以青浦車站24 m標(biāo)準(zhǔn)車站段為數(shù)值模擬對(duì)象，分析在不同溫度荷載作用下的車站標(biāo)準(zhǔn)段的應(yīng)力分布，為誘導(dǎo)縫的設(shè)置提供優(yōu)化指導(dǎo)。車站截面為雙層單跨式框架結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。所選車站標(biāo)準(zhǔn)段節(jié)段截面連續(xù)墻厚度為800 mm，內(nèi)襯墻厚度為400 mm，底板厚度為900 mm，中板厚度為400 mm，頂板厚度為800 mm，地下一層高度為4.62 m，地下二層高度為6.37 m。24 m標(biāo)準(zhǔn)車站節(jié)段有限元模型如圖2所示。

圖1 復(fù)合式地鐵車站橫截面

地鐵車站主體結(jié)構(gòu)采用Solid65單元模擬。混凝土彈性模量Ec=3.15×1010Pa，泊松比ν=0.2。鋼筋彈性模量Es=2×1011Pa，泊松比ν=0.3?；炷恋木€膨脹系數(shù)取10-5/℃，鋼筋的線膨脹系數(shù)取1.2×10-5/℃。各個(gè)位置的鋼筋均沿z方向布置，分布情況如圖3所示。

圖2 24 m標(biāo)準(zhǔn)車站節(jié)段有限元模型

圖3 地鐵車站鋼筋分布

1.3 誘導(dǎo)縫處聯(lián)接單元的定義

根據(jù)施工方提供的資料，地鐵車站誘導(dǎo)縫構(gòu)造處兩邊的襯墻內(nèi)鋼筋沿襯墻高度方向每隔兩排就斷開。誘導(dǎo)縫處底板縱向鋼筋全部貫通。誘導(dǎo)縫這種構(gòu)造方式使誘導(dǎo)縫兩邊的縱向鋼筋像彈簧。因此采用link188單元來模擬鋼筋。

1.4 約束

地鐵車站主要受周圍接觸土體和節(jié)段間連接鋼筋的這兩種約束。地鐵車站與土體約束作用可以分為垂直于接觸面的法向阻力和接觸面內(nèi)的切向阻力。因此，選用Combin14彈簧單元的線彈性性質(zhì)來模擬土體與地鐵車站連續(xù)墻、底板和頂板之間的約束，如圖4所示。

圖4 約束圖

1.5 荷載

混凝土干縮、外界溫度變化會(huì)使混凝土產(chǎn)生溫度應(yīng)力。因此需要考慮混凝土干縮、不利年溫降和不利日溫降3種基本荷載工況。收縮等待溫差是由混凝土在30 d齡期內(nèi)的收縮變形等效而來的溫差，在沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持時(shí)，可以取-5 ℃[19]。對(duì)于地鐵車站，根據(jù)忻鼎康等[17]的研究，同時(shí)參考施工單位的經(jīng)驗(yàn)，年溫降對(duì)混凝土的影響一致，并考慮混凝土徐變的影響，取-14 ℃計(jì)算。日溫降需要考慮車站各部位混凝土溫度場分布的差異，根據(jù)齊峰等[18-21]的研究確定。車站混凝土的計(jì)算等待溫降荷載數(shù)值見表1。

表1 地鐵車站最不利等代溫降荷載值 ℃

2 不同參數(shù)影響分析

通過計(jì)算在表1的溫度荷載工況下，可以得到地鐵車站節(jié)段各個(gè)部位的應(yīng)力分布。通過現(xiàn)場調(diào)研可知地鐵車站裂縫主要分布在頂板和內(nèi)襯墻附近。因此，本節(jié)針對(duì)影響車站結(jié)構(gòu)應(yīng)力的設(shè)與不設(shè)誘導(dǎo)縫、誘導(dǎo)縫的間距、內(nèi)襯墻厚度、頂板和襯墻分開與整體澆筑施工方法等因素進(jìn)行分析，以應(yīng)力云圖的形式顯示各個(gè)因素下車站頂板和內(nèi)襯墻的第一主應(yīng)力分布圖，圖中的應(yīng)力等值線字母對(duì)應(yīng)數(shù)值列于圖右，單位為Pa，由于不同類型參數(shù)只是數(shù)字大小不同，應(yīng)力云圖較為相似，只列出具有代表性云圖進(jìn)行展示。

2.1 設(shè)與不設(shè)誘導(dǎo)縫

圖5為頂板與上襯墻分開澆筑時(shí)，內(nèi)襯墻厚度為400 mm，上襯墻在未施加誘導(dǎo)縫，溫度荷載為最不利溫降情況下的第一主應(yīng)力圖。從圖5(a)可以看出，襯墻內(nèi)側(cè)混凝土在1/4、1/2和3/4位置處明顯出現(xiàn)3處應(yīng)力集中，應(yīng)力為1.60 MPa，應(yīng)力超過C35混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.57 MPa，因此建議在1/4、1/2和3/4位置設(shè)置誘導(dǎo)縫。設(shè)置誘導(dǎo)縫之后，上襯墻的應(yīng)力集中現(xiàn)象消失，并且應(yīng)力減小為1.43 MPa，小于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，如圖5(b)所示，說明誘導(dǎo)縫的設(shè)置起到了抑制裂縫開展的作用。

圖5 上襯墻第一主應(yīng)力分布

2.2 誘導(dǎo)縫間距的影響

圖6為上襯墻在內(nèi)襯墻厚度為400 mm，誘導(dǎo)縫間距分別為5、6、8、12 m，溫度荷載為收縮當(dāng)量溫降情況下的第一主應(yīng)力圖。從圖6可以看出，隨著誘導(dǎo)縫的間距增大，上襯墻的應(yīng)力逐漸減小。

圖6 上襯墻第一主應(yīng)力分布

2.3 內(nèi)襯墻厚度的影響

內(nèi)襯墻厚度的不同會(huì)影響襯墻和頂板的應(yīng)力，因此選用內(nèi)襯墻厚度為400、600 mm和800 mm分別計(jì)算。圖7為上襯墻未施加誘導(dǎo)縫情況下，內(nèi)襯墻厚度分別為400、600 mm和800 mm的應(yīng)力分布。從圖7可以看出，隨著內(nèi)襯墻的厚度增加，上襯墻的應(yīng)力逐漸減小。

圖7 上襯墻第一主應(yīng)力分布

2.4 襯墻頂板分開與整體施工

在建模時(shí)程分析時(shí)，將頂板組與上襯墻模型共同激活進(jìn)行整體澆筑的模擬。利用生死單元，先對(duì)頂板進(jìn)行鈍化，等上襯墻激活后再對(duì)頂板進(jìn)行激活，從而實(shí)現(xiàn)上襯墻和頂板分開澆筑的模擬。邊界條件的模擬同1.4節(jié)，溫降施加方式同1.5節(jié)。圖8(a)為內(nèi)襯墻厚度為400 mm，在上襯墻內(nèi)側(cè)混凝土1/4、1/2和3/4位置處設(shè)置誘導(dǎo)縫，頂板與上襯墻分開澆筑時(shí)，溫度荷載為最不利當(dāng)量溫降情況下的頂板的第一主應(yīng)力圖。圖8(b)為頂板與上襯墻整體澆筑時(shí)，頂板的第一主應(yīng)力圖。從兩個(gè)圖相比較可以看出，分開澆筑時(shí)頂板的應(yīng)力比整體澆筑的應(yīng)力大0.2 MPa左右。圖9為上襯墻分開澆筑和整體澆筑的第一主應(yīng)力圖，從圖9可以看出，上襯墻與頂板分開澆筑時(shí)上襯墻的應(yīng)力比整體澆筑的應(yīng)力大0.1 MPa左右。從計(jì)算分析來看，頂板與上襯墻整體澆筑比分開澆筑對(duì)結(jié)構(gòu)有利，但從施工角度來講，分開澆筑更有利于模板施做與混凝土振搗。

圖8 頂板第一主應(yīng)力分布

圖9 上襯墻第一主應(yīng)力分布

3 結(jié)論

通過對(duì)上海17號(hào)線青浦站24 m標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行有限元建模及數(shù)值分析，得出如下結(jié)論和建議。

(1)對(duì)于24 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，在400 mm厚度的襯墻下，計(jì)算分析表明，在1/4，1/2，3/4處會(huì)產(chǎn)生大于混凝土抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力集中，應(yīng)設(shè)置誘導(dǎo)縫。在設(shè)置誘導(dǎo)縫之后，上襯墻和頂板的應(yīng)力減小。

(2)隨著誘導(dǎo)縫的間距增大，上襯墻和頂板的應(yīng)力逐漸減小。隨著內(nèi)襯墻的厚度增加，上襯墻和頂板的應(yīng)力逐漸減小。

(3)上襯墻與頂板分開澆筑時(shí)上襯墻和頂板的應(yīng)力比整體澆筑大，但應(yīng)力變化影響不大，可根據(jù)施工具體情況采用合理的施工方式。

另外，限于工程現(xiàn)場實(shí)際條件，研究還存在不完善之處，如對(duì)不同體積情況下混凝土的水化熱情況的考慮等。這些會(huì)在今后誘導(dǎo)縫應(yīng)用中展開分析計(jì)算。

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