某地鐵出入口底板裂縫成因及結構安全分析

宋旭亮 趙晶 楊溢軍（廣州地鐵設計研究院有限公司）

某地鐵出入口底板裂縫成因及結構安全分析

宋旭亮 趙晶 楊溢軍
（廣州地鐵設計研究院有限公司）

本工程某地鐵站一出入口跨度較大，施工驗收時發現底板出現混凝土結構裂縫并出現滲水現象。經各方研究后決定采取增設鋼立柱的措施，改善豎向荷載的傳遞路徑，提高結構安全。為分析裂縫成因和構件安全性能，本文通過有限元軟件MIDAS CIVIL分加柱前、加柱后兩個階段對結構受力過程進行三維建模模擬，根據高水位工況下所得構件內力,驗算主要梁、板的強度和裂縫是否滿足國家規范要求，并針對本工程裂縫滲水現象提出“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，結構底板厚600mm，底板梁截面為800mm×1400mm；頂板厚300mm,上覆土3.2m。根據勘察報告，設計抗浮水位宜根據排水情況確定，建議按室外地坪下0.5m考慮。本出入口在施工整體驗收時，現場發現該處地面鋪裝石材出現裂紋，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，這會導致鋼筋銹蝕，影響耐久性，需妥善處理[1]。本出入口底板結構布置如圖1所示。

圖1 出入口底板結構布置圖

經各單位研究后決定，在01A軸/1-B軸處增設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比較普遍，裂縫的產生不僅因滲漏影響使用功能，還會降低建筑結構的耐久性甚至危及結構安全[2]。

圖2 增設立柱結構示意圖

圖3 裂縫底板面分布圖

圖4 底板裂縫現場圖

2 有限元分析

在增設抗浮鋼柱前，結構底板在抗浮水位時，所受浮力最大，構件變形最大，越易產生裂縫。增設抗浮鋼柱后，結構頂底板間形成有效支撐，形成新的傳力路徑。本文利用有限元軟件MIDAS CIVIL，采用梁、板單元模擬構件，彈簧單元模擬樁基，對結構增設鋼柱前后兩個過程進行模擬，分析裂縫成因以及加柱后結構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，結構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點編號如圖6所示：

圖6 樁基沉降節點號

加柱后01A軸/1-B軸處（節點號9）樁沉降與其相鄰樁沉降結果如表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《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011第5.3.4條規定0.002L的限值。底板變形時，加柱處樁頂相對于其余各點隆起，易沿板對角線出現斜裂縫。

表1 加柱后01A軸/ 1- B軸處（節點號9）樁頂位移與其相鄰樁頂位移

2.3底梁驗算

所驗模型處底板梁為800×1400mm，經計算底梁編號彎矩如圖7所示：

圖7 底梁編號圖

根據MIDAS CIVIL計算所得加柱后底梁內力設計值及底梁裂縫計算如表2所示，由表2中計算結果可知，根據我國國家標準《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）中相關規定，表中彎矩設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MIDAS CIVIL計算加柱后所得加柱周圍底板內力設計值以及各板裂縫計算如表3所示。

對比原設計配筋面積，經由表3計算結果可知，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《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）中相關規定。

結構底板彎矩云圖以及應力云圖如圖9～圖11所示。

由高水位工況底板彎矩及主應力云圖可知，加柱位置底板B2、B3對角線上的跨中彎矩及主應力較大，易沿此方向出現斜裂縫，這一模擬結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力較大而產生細微裂縫。

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計值Mxx云圖

圖10 高水位加柱底板彎矩設計值Myy云圖

圖11 底板最大主應力云圖

3 結論與建議

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值分析模擬可知：

⑴針對高水位加柱進行分析計算，結果表明：加柱后樁基沉降滿足規范限值；通道底梁板結構承載能力極限狀態設計及正常使用極限狀態設計均滿足規范要求。

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

⑶對于已經發生裂縫的大體積混凝土底板工程，若長期滲水會對構件耐久性產生影響，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構，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，應采用壓力設備進行膠結材料的壓入，使混凝土形成整體結構，由內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的細微裂縫漏水，可在結構板面上裝修層內增設排水暗溝，便于及時將裝修面層中滲漏水疏導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的應用[J].建筑結構,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(科學教研),2007,29:102.

[3]李治國,葛寨輝,焦雷.某地鐵聯絡通道變形縫滲漏水治理技術[J].隧道建設,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.