地鐵車(chē)站誘導(dǎo)縫設(shè)置參數(shù)分析

郭智剛,程道來(lái),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(guó)內(nèi)外在飽和軟弱地層上修建的地鐵車(chē)站長(zhǎng)度大多數(shù)都超過(guò)百米。因此，在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中地鐵車(chē)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(kāi)裂。國(guó)內(nèi)外一般處理車(chē)站開(kāi)裂方式是在車(chē)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(kāi)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(kāi)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(chē)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(chē)站主體結(jié)構(gòu)的危害[6-7]。研究表明[8-16]，在車(chē)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(guó)內(nèi)地鐵車(chē)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(lái)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(xiàn)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(kāi)與整體施工澆筑等影響因素，對(duì)車(chē)站進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算，為誘導(dǎo)縫在地鐵車(chē)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(xiàn)青浦站全長(zhǎng)165 m，結(jié)構(gòu)形式是地下二層島式車(chē)站。該車(chē)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(chē)站基坑開(kāi)挖深度15.8～17.8 m。側(cè)墻與板分開(kāi)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(chē)站進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與車(chē)站裂縫的實(shí)測(cè)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(chē)站有限元建模分析方法，以青浦車(chē)站24 m標(biāo)準(zhǔn)車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)站節(jié)段有限元模型如圖2所示。

圖1 復(fù)合式地鐵車(chē)站橫截面

地鐵車(chē)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。混凝土的線(xiàn)膨脹系數(shù)取10-5/℃，鋼筋的線(xiàn)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(chē)站節(jié)段有限元模型

圖3 地鐵車(chē)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(chē)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(kāi)。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(lái)模擬鋼筋。

1.4 約束

地鐵車(chē)站主要受周?chē)佑|土體和節(jié)段間連接鋼筋的這兩種約束。地鐵車(chē)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(xiàn)彈性性質(zhì)來(lái)模擬土體與地鐵車(chē)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(lái)的溫差，在沒(méi)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持時(shí)，可以取-5 ℃[19]。對(duì)于地鐵車(chē)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(chē)站各部位混凝土溫度場(chǎng)分布的差異，根據(jù)齊峰等[18-21]的研究確定。車(chē)站混凝土的計(jì)算等待溫降荷載數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 地鐵車(chē)站最不利等代溫降荷載值 ℃

2 不同參數(shù)影響分析

通過(guò)計(jì)算在表1的溫度荷載工況下，可以得到地鐵車(chē)站節(jié)段各個(gè)部位的應(yīng)力分布。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知地鐵車(chē)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(chē)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(kāi)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(chē)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(xiàn)字母對(duì)應(yīng)數(shù)值列于圖右，單位為Pa，由于不同類(lèi)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(kāi)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(guò)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(shuō)明誘導(dǎo)縫的設(shè)置起到了抑制裂縫開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(lái)看，頂板與上襯墻整體澆筑比分開(kāi)澆筑對(duì)結(jié)構(gòu)有利，但從施工角度來(lái)講，分開(kāi)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(guò)對(duì)上海17號(hào)線(xiàn)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(kāi)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(chǎng)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(kāi)分析計(jì)算。

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