某地鐵出入口底板裂縫成因及結(jié)構(gòu)安全分析

宋旭亮 趙晶 楊溢軍（廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司）

某地鐵出入口底板裂縫成因及結(jié)構(gòu)安全分析

宋旭亮 趙晶 楊溢軍
（廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司）

本工程某地鐵站一出入口跨度較大，施工驗收時發(fā)現(xiàn)底板出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫并出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。經(jīng)各方研究后決定采取增設(shè)鋼立柱的措施，改善豎向荷載的傳遞路徑，提高結(jié)構(gòu)安全。為分析裂縫成因和構(gòu)件安全性能，本文通過有限元軟件MIDAS CIVIL分加柱前、加柱后兩個階段對結(jié)構(gòu)受力過程進行三維建模模擬，根據(jù)高水位工況下所得構(gòu)件內(nèi)力,驗算主要梁、板的強度和裂縫是否滿足國家規(guī)范要求，并針對本工程裂縫滲水現(xiàn)象提出“堵水”和“疏水”的處理措施。

裂縫；滲漏；MIDAS CIVIL；地鐵；處理措施

1 工程概況

某地鐵站一出入口寬約16m，結(jié)構(gòu)底板厚600mm，底板梁截面為800mm×1400mm；頂板厚300mm,上覆土3.2m。根據(jù)勘察報告，設(shè)計抗浮水位宜根據(jù)排水情況確定，建議按室外地坪下0.5m考慮。本出入口在施工整體驗收時，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該處地面鋪裝石材出現(xiàn)裂紋，裂縫多呈45°方向開展，長度1～4m不等，地磚下濕跡明顯，局部地磚表面已有水滲出，這會導(dǎo)致鋼筋銹蝕，影響耐久性，需妥善處理[1]。本出入口底板結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 出入口底板結(jié)構(gòu)布置圖

經(jīng)各單位研究后決定，在01A軸/1-B軸處增設(shè)450mm×20mm鋼管柱以抵抗水浮力，柱頂通過十字鋼梁與上部混凝土梁連接，施工時先將鋼梁通過后植錨栓固定于混凝土梁底，然后將鋼柱定位，再使用千斤頂在鋼柱上4個牛腿上各加載200kN，加載后柱頭與梁底間縫隙采用打磨鋼板填塞，增設(shè)鋼立柱，如圖2所示。底板裂縫分布以及實地裂縫分布如圖3和圖4所示。如今隨著地下工程的增加，混凝土開裂引起的裂縫出現(xiàn)比較普遍，裂縫的產(chǎn)生不僅因滲漏影響使用功能，還會降低建筑結(jié)構(gòu)的耐久性甚至危及結(jié)構(gòu)安全[2]。

圖2 增設(shè)立柱結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 裂縫底板面分布圖

圖4 底板裂縫現(xiàn)場圖

2 有限元分析

在增設(shè)抗浮鋼柱前，結(jié)構(gòu)底板在抗浮水位時，所受浮力最大，構(gòu)件變形最大，越易產(chǎn)生裂縫。增設(shè)抗浮鋼柱后，結(jié)構(gòu)頂?shù)装彘g形成有效支撐，形成新的傳力路徑。本文利用有限元軟件MIDAS CIVIL，采用梁、板單元模擬構(gòu)件，彈簧單元模擬樁基，對結(jié)構(gòu)增設(shè)鋼柱前后兩個過程進行模擬，分析裂縫成因以及加柱后結(jié)構(gòu)是否滿足承載力強度要求和正常使用裂縫要求。

2.1計算模型及荷載

荷載計算時均按照標準值，結(jié)構(gòu)自重由程序自動計入。頂板荷載包括覆土壓力57.6KN/m2，地面超載（活載）5KN/m2；底板荷載包括水浮力-88KN/m2，裝修荷載1KN/m2。采用MIDAS CIVI L軟件建立三維模型，計算模型如圖5所示：

圖5 計算模型圖

2.2樁基沉降

加柱位置01A軸/1-B軸處樁與其相鄰樁節(jié)點編號如圖6所示：

圖6 樁基沉降節(jié)點號

加柱后01A軸/1-B軸處（節(jié)點號9）樁沉降與其相鄰樁沉降結(jié)果如表1所示,從表1中可以看出，加柱后01A軸/1-B軸處樁與其相鄰樁之間最大沉降差約為2.7mm，柱距為8m，小于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2011第5.3.4條規(guī)定0.002L的限值。底板變形時，加柱處樁頂相對于其余各點隆起，易沿板對角線出現(xiàn)斜裂縫。

表1 加柱后01A軸/ 1- B軸處（節(jié)點號9）樁頂位移與其相鄰樁頂位移

2.3底梁驗算

所驗?zāi)Ｐ吞幍装辶簽?00×1400mm，經(jīng)計算底梁編號彎矩如圖7所示：

圖7 底梁編號圖

根據(jù)MIDAS CIVIL計算所得加柱后底梁內(nèi)力設(shè)計值及底梁裂縫計算如表2所示，由表2中計算結(jié)果可知，根據(jù)我國國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）中相關(guān)規(guī)定，表中彎矩設(shè)計值均小于正截面受彎承載力，裂縫寬度均小于0.3mm限值，因此在高水位工況下加上鋼柱，底梁DL1、DL2、DL3強度和裂縫滿足要求。

表2 加柱處底梁計算

2.4底板驗算

將加柱位置旁三角形底板編為B1，其余長方形底板為B2和B3，底板編號如圖8所示。

根據(jù)MIDAS CIVIL計算加柱后所得加柱周圍底板內(nèi)力設(shè)計值以及各板裂縫計算如表3所示。

對比原設(shè)計配筋面積，經(jīng)由表3計算結(jié)果可知，高水位工況下B1、B2、B3板的抗彎強度和裂縫均滿足我國國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）中相關(guān)規(guī)定。

結(jié)構(gòu)底板彎矩云圖以及應(yīng)力云圖如圖9～圖11所示。

由高水位工況底板彎矩及主應(yīng)力云圖可知，加柱位置底板B2、B3對角線上的跨中彎矩及主應(yīng)力較大，易沿此方向出現(xiàn)斜裂縫，這一模擬結(jié)果與實地裂縫開展情況符合，在板靠近支座處也會因局部內(nèi)力較大而產(chǎn)生細微裂縫。

圖8 底板編號

表3高水位加柱后加柱周圍底板計算

注：表中荷載為設(shè)計值，支座裂縫計算時未考慮底梁、承臺對板的有利作用。

圖9 高水位加柱底板彎矩設(shè)計值Mxx云圖

圖10 高水位加柱底板彎矩設(shè)計值Myy云圖

圖11 底板最大主應(yīng)力云圖

3 結(jié)論與建議

利用通用有限元軟件MIDAS CIVIL對本文所提出入口后加鋼柱處理進行數(shù)值分析模擬可知：

⑴針對高水位加柱進行分析計算，結(jié)果表明：加柱后樁基沉降滿足規(guī)范限值；通道底梁板結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)設(shè)計及正常使用極限狀態(tài)設(shè)計均滿足規(guī)范要求。

⑵為保證結(jié)構(gòu)的耐久性，需對結(jié)構(gòu)裂縫及滲漏水進行處理。后期維護過程中可加強對結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測及滲漏水巡查，必要時采取增設(shè)加固樁（索）等措施。

⑶對于已經(jīng)發(fā)生裂縫的大體積混凝土底板工程，若長期滲水會對構(gòu)件耐久性產(chǎn)生影響，影響工程安全。裂縫滲水常采用“堵”、“疏”、“降”等方式處理。針對已運營的通道底板結(jié)構(gòu)，建議采用“堵”和“疏”進行處理，且“疏”大于“堵”。

⑷常用的底板裂縫處理措施就是“堵水”[3]。裂縫較深時，應(yīng)采用壓力設(shè)備進行膠結(jié)材料的壓入，使混凝土形成整體結(jié)構(gòu)，由內(nèi)向外的堵漏方法可采用壓力注漿法；對承載力無影響的表面不規(guī)則龜裂縫，可采取表面修補密封處理。

⑸“堵水”之外更需重視“疏水”[4]。在底板注漿或者密封膠施工以后，為防止今后仍有可能出現(xiàn)的細微裂縫漏水，可在結(jié)構(gòu)板面上裝修層內(nèi)增設(shè)排水暗溝，便于及時將裝修面層中滲漏水疏導(dǎo)至附近的通道排水溝或集水坑中。

[1]范世平,滕年保,張宏宇,孔廣亞.深圳某大廈地下室底板滲漏水綜合處理技術(shù)的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu),2007,S1:608-609.

[2]劉英強.地下工程混凝土裂縫滲漏的分析與處理方法[J].科技信息(科學(xué)教研),2007,29:102.

[3]李治國,葛寨輝,焦雷.某地鐵聯(lián)絡(luò)通道變形縫滲漏水治理技術(shù)[J].隧道建設(shè),2012,S2:111-116.

[4]謝佳.深圳地鐵大廈地下室底板裂縫處理[J].四川建筑, 2011,06:192-193.