地铁车站诱导缝设置参数探究

地铁车站诱导缝设置参数探究摘要:地铁车站由地下连续墙、内衬墙、底板和顶板等结构组成，其中顶板、衬墙混凝土开裂一直是设计施工中的难题。地铁车站结构诱导缝可减少地铁车站结构在施工和运营中因混凝土结构的温度应力等引起其无序开裂。以上海 17 号线青浦车站为工程背景，采用有限元建模进行数值分析。针对影响结构应力的设与不设诱导缝、诱导缝的间距、内衬墙厚度、顶板和衬墙分开与整体浇筑施工方法等因素进行讨论。结果表明，在设置诱导缝之后，上衬墙和顶板的应力减小。随着诱导缝的间距增大，上衬墙和顶板的应力逐渐减小。随着内衬墙的厚度增加，上衬墙和顶板的应力逐渐减小。上衬墙与顶板分开浇筑时上衬墙和顶板的应力比整体浇筑大。可以为诱导缝在地铁车站裂缝防治中的设置提供了优化措施和建议。关键词:地铁车站;诱导缝;数值分析;裂缝;优化设置目前国内外在饱和软弱地层上修建的地铁车站长度大多数都超过百米。因此，在施工和运营过程中地铁车站混凝土结构因温度变化和不均匀沉降等各种因素会产生纵向应力，导致混凝土结构开裂。国内外一般处理车站开裂方式是在车站衬墙内设置诱导缝。诱导缝是具有一定抗弯刚度和防止剪切移动接缝张开顶部大底部小、宽度很小的变形缝，是一种特殊的变形缝，但诱导缝和变形缝因构造和施工方法不同，在性能上存在显著差别1-5。设置诱导缝，使结构所在的截面刚度削弱。当温度变化、混凝土收缩徐变、结构不均匀沉降等情况发生时，结构应力会发生变化，这样会使诱导缝所在的结构截面先行开裂，从而避免混凝土结构其他截面出现裂缝。因此，诱导缝的设置会使车站结构裂缝有序的产生、发展，从而减少裂缝对车站主体结构的危害6-7。研究表明8-16，在车站衬墙处设置诱导缝，可有效控制因温度变化和不均匀沉降引起的裂缝扩展。目前国内地铁车站结构的诱导缝常以 2030m 为间距，普遍使用的诱导缝结构设计分为两种:双柱式诱导缝和梁板式诱导缝2。工程中双柱式诱导缝因其施工复杂应用则较少，以梁板式的诱导缝应用最多。然而诱导缝的位置和数量的设置还是凭施工经验来确定，以及影响诱导缝的设置因素还很复杂。因此本文以上海市轨道交通 17 号线青浦站为项目背景，考虑诱导缝的位置、间距、内衬墙厚度、顶板和衬墙分开与整体施工浇筑等影响因素，对车站进行有限元数值计算，为诱导缝在地铁车站裂缝防治中的设置提供优化措施和建议。1 数值建模与计算分析1.1 工程背景上海市轨道交通 17 号线青浦站全长 165m，结构形式是地下二层岛式车站。该车站主体外围是 800mm 厚地下连续墙，埋置深度为 28.032.0m，车站基坑开挖深度 15.817.8m。侧墙与板分开浇筑，每段结构分 5 次浇筑。地连墙与衬墙为复合式结构形式，梁、板和侧墙混凝土均采用 C35 混凝土，有耐久性要求，底板、中板、顶板和衬墙混凝土抗渗等级为 P8。1.2 数值建模齐峰等19采用有限元软件对复合式地铁车站进行数值模拟，发现计算结果与车站裂缝的实测分布基本吻合，验证了有限元建模模拟思路及参数选取的基本合理性。因此，本文采用文献19地铁车站有限元建模分析方法，以青浦车站 24m 标准车站段为数值模拟对象，分析在不同温度荷载作用下的车站标准段的应力分布，为诱导缝的设置提供优化指导。车站截面为双层单跨式框架结构形式，如图 1 所示。所选车站标准段节段截面连续墙厚度为 800mm，内衬墙厚度为 400mm，底板厚度为 900mm，中板厚度为 400mm，顶板厚度为 800mm，地下一层高度为 4.62m，地下二层高度为 6.37m。24m 标准车站节段有限元模型如图 2 所示。地铁车站主体结构采用 Solid65 单元模拟。混凝土弹性模量 Ec=3.151010Pa，泊松比 =0.2。钢筋弹性模量 Es=21011Pa，泊松比 =0.3。混凝土的线膨胀系数取 105/，钢筋的线膨胀系数取 1.2105/。1.3 诱导缝处联接单元的定义根据施工方提供的资料，地铁车站诱导缝构造处两边的衬墙内钢筋沿衬墙高度方向每隔两排就断开。诱导缝处底板纵向钢筋全部贯通。诱导缝这种构造方式使诱导缝两边的纵向钢筋像弹簧。因此采用 link188 单元来模拟钢筋。1.4 约束地铁车站主要受周围接触土体和节段间连接钢筋的这两种约束。地铁车站与土体约束作用可以分为垂直于接触面的法向阻力和接触面内的切向阻力。因此，选用 Combin14 弹簧单元的线弹性性质来模拟土体与地铁车站连续墙、底板和顶板之间的约束。1.5 荷载混凝土干缩、外界温度变化会使混凝土产生温度应力。因此需要考虑混凝土干缩、不利年温降和不利日温降 3 种基本荷载工况。收缩等待温差是由混凝土在 30d 龄期内的收缩变形等效而来的温差，在没有实验数据支持时，可以取519。对于地铁车站，根据忻鼎康等17的研究，同时参考施工单位的经验，年温降对混凝土的影响一致，并考虑混凝土徐变的影响，取14计算。日温降需要考虑车站各部位混凝土温度场分布的差异，根据齐峰等18-21的研究确定。2 不同参数影响分析通过计算在表 1 的温度荷载工况下，可以得到地铁车站节段各个部位的应力分布。通过现场调研可知地铁车站裂缝主要分布在顶板和内衬墙附近。因此，本节针对影响车站结构应力的设与不设诱导缝、诱导缝的间距、内衬墙厚度、顶板和衬墙分开与整体浇筑施工方法等因素进行分析，以应力云图的形式显示各个因素下车站顶板和内衬墙的第一主应力分布图，图中的应力等值线字母对应数值列于图右，单位为 Pa，由于不同类型参数只是数字大小不同，应力云图较为相似，只列出具有代表性云图进行展示。2.1 设与不设诱导缝图 5 为顶板与上衬墙分开浇筑时，内衬墙厚度为 400mm，上衬墙在未施加诱导缝，温度荷载为最不利温降情况下的第一主应力图。从图 5(a)可以看出，衬墙内侧混凝土在 1/4、1/2 和 3/4 位置处明显出现 3 处应力集中，应力为 1.60MPa，应力超过 C35 混凝土抗拉强度设计值1.57MPa，因此建议在 1/4、1/2 和 3/4 位置设置诱导缝。设置诱导缝之后，上衬墙的应力集中现象消失，并且应力减小为 1.43MPa，小于抗拉强度设计值。2.2 诱导缝间距的影响图 6 为上衬墙在内衬墙厚度为 400mm，诱导缝间距分别为 5、6、8、12m，温度荷载为收缩当量温降情况下的第一主应力图。2.3 内衬墙厚度的影响内衬墙厚度的不同会影响衬墙和顶板的应力，因此选用内衬墙厚度为 400、600mm 和 800mm 分别计算。图 7 为上衬墙未施加诱导缝情况下，内衬墙厚度分别为 400、600mm和 800mm 的应力分布。从图 7 可以看出，随着内衬墙的厚度增加，上衬墙的应力逐渐减小。2.4 衬墙顶板分开与整体施工在建模时程分析时，将顶板组与上衬墙模型共同激活进行整体浇筑的模拟。利用生死单元，先对顶板进行钝化，等上衬墙激活后再对顶板进行激活，从而实现上衬墙和顶板分开浇筑的模拟。边界条件的模拟同 1.4 节，温降施加方式同 1.5 节。图 8(a)为内衬墙厚度为400mm，在上衬墙内侧混凝土 1/4、1/2 和 3/4 位置处设置诱导缝，顶板与上衬墙分开浇筑时，温度荷载为最不利当量温降情况下的顶板的第一主应力图。图 8(b)为顶板与上衬墙整体浇筑时，顶板的第一主应力图。从两个图相比较可以看出，分开浇筑时顶板的应力比整体浇筑的应力大 0.2MPa 左右。图 9 为上衬墙分开浇筑和整体浇筑的第一主应力图，从图 9 可以看出，上衬墙与顶板分开浇筑时上衬墙的应力比整体浇筑的应力大 0.1MPa 左右。从计算分析来看，顶板与上衬墙整体浇筑比分开浇筑对结构有利， 但从施工角度来讲，分开浇筑更有利于模板施做与混凝土振捣。3 结论通过对上海 17 号线青浦站 24m 标准段进行有限元建模及数值分析，得出如下结论和建议。(1) 对于 24m 标准节段，在 400mm 厚度的衬墙下，计算分析表明，在 1/4，1/2，3/4 处会产生大于混凝土抗拉强度的应力集中，应设置诱导缝。在设置诱导缝之后，上衬墙和顶板的应力减小。(2)随着诱导缝的间距增大，上衬墙和顶板的应力逐渐减小。随着内衬墙的厚度增加，上衬墙和顶板的应力逐渐减小。(3)上衬墙与顶板分开浇筑时上衬墙和顶板的应力比整体浇筑大，但应力变化影响不大，可根据施工具体情况采用合理的施工方式。另外，限于工程现场实际条件，研究还存在不完善之处，如对不同体积情况下混凝土的水化热情况的考虑等。这些会在今后诱导缝应用中展开分析计算。参考文献:1李烈刚，李佳雨诱导缝在地铁车站纵向变形控制中的应用J建筑技术，2007，38(11):819-8212陈斌，刘松，秦明强，等考虑耐久性条件下的高性能混凝土的应用技术J铁道标准设计，2013，57(4):81-863钟清华山东体育学院教授公寓楼(期)结构设计J铁道标准设计，2005(5):104-1064陈东杰，谢钦方，徐来观顶入式箱形桥预制箱身合理长度的确定J铁道标准设计，2002(7):61-635李国良，程磊，王飞高地温隧道修建关键技术研究J铁道标准设计，2016，60(6):55-596隋涛，杨林德，马险峰地铁车站结构诱导缝应用研究现状与展望J路基工程，2012(5):60-637熊永华，杨卫星，颜勇某地铁车站轨排井围护结构设计J铁道标准设计，2009(9):76-798叶国祥，陆秋旋，陈志平结构诱导缝在地下室侧墙中的应用实践J广东土木与建筑，2003(4):29-309葛世平软土地铁车站结构纵向变形预测与研究对策D上海:同济大学，200010刘国彬，李文勇地铁车站诱导缝位移的分析计算J岩土工程学报，2000，22(2):195-19811庞贵磊软土地区异形地铁车站诱导缝的设置研究D上海:同济大学，200512刘欣荣关于地铁地下车站设置诱导缝的探讨J科技情报开发与经济，2010，20(1):161-16313熊四清上海地铁杨浦线黄兴路车站防水施工技术J铁道标准设计，2008(9):100-103.作者：郭智刚 1，程道来 1，董文澎 1，潘伟强 2，刘沛 2 单位：1.上海应用技术大学轨道交通学院，2.上海隧道工程有限公司