地鐵車站混凝土頂板溫度裂縫的模擬與控制

劉永淼

(廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361004)

在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)澆混凝土開(kāi)裂的情況常常難以避免，而大量裂縫的產(chǎn)生將對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性構(gòu)成威脅。地鐵車站等地下結(jié)構(gòu)中，裂縫的產(chǎn)生往往伴隨著地下水滲入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，對(duì)鋼筋造成腐蝕，對(duì)混凝土造成損害。如果無(wú)法有效分析裂縫產(chǎn)生的原因并進(jìn)行處理，裂縫將不斷發(fā)展并形成貫穿裂縫，影響結(jié)構(gòu)的運(yùn)行和使用，造成人員和財(cái)產(chǎn)損失。

對(duì)大體積混凝土溫度應(yīng)力的研究，是一個(gè)持續(xù)了數(shù)十年的長(zhǎng)期課題，王鐵夢(mèng)教授[1]提出的“抗與放”設(shè)計(jì)原則，綜合考量施工中各種因素，在實(shí)際應(yīng)用中效果顯著。而在利用數(shù)值模擬手段研究裂縫問(wèn)題方面，1972年朱伯芳院士[2]就編制了我國(guó)第一個(gè)混凝土溫度應(yīng)力的有限元程序。陳肇元院士等[3]依托廣州地鐵一號(hào)線科研項(xiàng)目，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行了深入研究。實(shí)際上，地鐵車站主體結(jié)構(gòu)頂板裂縫絕不是個(gè)例，而是一個(gè)長(zhǎng)期存在的工程問(wèn)題，在國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)中多有出現(xiàn)[4-6]。目前，地鐵車站頂板裂縫的研究主要是根據(jù)調(diào)研結(jié)果分析探討裂縫分布的基本特點(diǎn)。同時(shí)，在模擬計(jì)算中建立的模型也比較簡(jiǎn)單，僅以六面體平板代表車站頂板，缺乏對(duì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的考慮；模擬計(jì)算結(jié)果缺乏與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較，難以有效驗(yàn)證模型的正確性。為此，本文以廈門地鐵2號(hào)線某車站主體結(jié)構(gòu)為對(duì)象，運(yùn)用有限元軟件，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建立精細(xì)模型，對(duì)地鐵車站頂板的溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型，將應(yīng)力分析結(jié)果與實(shí)際工程中的裂縫分布情況相比較，探究裂縫的生成原因和相應(yīng)的預(yù)防措施，以供相關(guān)工程從業(yè)人員參考。

1 工程概況

某地鐵車站設(shè)計(jì)全長(zhǎng)210.9 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7 m，高13.2 m，為地下兩層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用明挖無(wú)縫分倉(cāng)順序施工，不設(shè)置后澆帶。先完成地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)后，再進(jìn)行車站主體結(jié)構(gòu)施工。頂板混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C45，頂板厚800 mm。頂板澆筑后覆蓋薄膜，灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間大于7 d?；炷梁穸仍?.8～1.0 m內(nèi)，國(guó)際上一般稱之為大體積混凝土。美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)(ACI)對(duì)大體積混凝土的定義是:任意體量的混凝土，其尺寸達(dá)到必須采取措施減小由于體積變形引起的裂縫，統(tǒng)稱為大體積混凝土。本工程中頂板厚度0.8 m，梁高1.2 m，符合大體積混凝土的一般定義，應(yīng)該特別注意由于混凝土水化熱及體積收縮變形所引起的裂縫問(wèn)題。本工程中側(cè)墻所用混凝土與頂板混凝土同為C45，采取相同配合比拌制。側(cè)墻內(nèi)埋設(shè)溫度及應(yīng)變測(cè)量計(jì)，通過(guò)采集到的混凝土溫度變化曲線，可以修正數(shù)值模擬中對(duì)混凝土材料參數(shù)的取值。

2 頂板裂縫調(diào)研結(jié)果

根據(jù)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，選取頂梁布置最為復(fù)雜的兩相鄰槽段頂板作為分析對(duì)象，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頂板裂縫示意圖如圖1所示。從圖1可見(jiàn)，此處頂板上縱梁呈Y型布置，圖中左側(cè)為先澆筑的第8段，右側(cè)為后澆筑的第9段。在頂板澆筑完成后分3個(gè)階段觀察裂縫出現(xiàn)和發(fā)展情況，分別是拆模時(shí)、澆筑30 d后以及澆筑100 d后?？辈旖Y(jié)果表明，第9槽段頂板兩側(cè)裂縫生成數(shù)量更多，分布相對(duì)密集，裂縫平均間距約2.5 m，最密集處兩裂縫間距僅為0.4 m，最長(zhǎng)裂縫達(dá)到8.6 m。而第8段裂縫數(shù)量較少，間距較大，與第9段形成明顯對(duì)比。從裂縫發(fā)展的走向上看，多數(shù)最初于頂板與內(nèi)襯墻交界處的加腋梁位置形成，并向最近的頂梁方向發(fā)展，部分裂縫向無(wú)約束端斜向發(fā)展。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頂板裂縫分布示意圖(單位：mm)

3 模型建立與分析

為了考察相鄰頂板的溫度應(yīng)力，利用ANSYS對(duì)連續(xù)澆筑的2塊頂板(即8#和9#槽段)共同進(jìn)行建模。另外，由于頂板澆筑與兩側(cè)墻及中間支撐柱均有關(guān)聯(lián)，模型包括整個(gè)上部站廳層結(jié)構(gòu)。在觀測(cè)裂縫時(shí)，結(jié)構(gòu)上部尚未進(jìn)行回填，因此模型中僅考慮拆模前后結(jié)構(gòu)自重引起的應(yīng)力變化、混凝土水化熱引起的溫度變化以及相應(yīng)的溫度應(yīng)力。

先進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，然后將計(jì)算得到的溫度場(chǎng)以荷載的形式施加到結(jié)構(gòu)上進(jìn)行應(yīng)力分析。采用SOLID70單元進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬計(jì)算，選用SOLID65作為混凝土應(yīng)力計(jì)算的單元。為減少單元數(shù)量，提高計(jì)算效率，建模時(shí)通過(guò)剛度等效將鋼筋彌散到混凝土中，模擬鋼筋混凝土材料，不對(duì)鋼筋采取獨(dú)立單元建模，所建有限元模型如圖2所示。模型所處環(huán)境溫度依據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，取值為23 ℃，溫度場(chǎng)模擬中涉及的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 地鐵車站頂板有限元模型示意圖

表1 溫度場(chǎng)模擬計(jì)算參數(shù)表

朱伯芳[7]對(duì)混凝土溫度場(chǎng)進(jìn)行過(guò)深入研究，發(fā)現(xiàn)由混凝土水化熱引起的常用絕熱溫升計(jì)算模型主要包含雙曲線型、指數(shù)Ⅰ型、指數(shù)Ⅱ型3種，本文選用指數(shù)I型函數(shù)(如公式(1)所示)，進(jìn)行混凝土的溫度變化模擬。

T(τ)=T0(1-e-mτ)

(1)

式(1)中：T0為最終水化熱，τ為混凝土齡期，m為由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定的材料常數(shù)。有研究根據(jù)廣泛的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析，提出m的取值范圍在0.7～1.1之間[8]。因此，本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)m值進(jìn)行了修正，計(jì)算模型最后對(duì)常數(shù)m的取值為0.9。

模擬過(guò)程中為了簡(jiǎn)化，頂板、頂梁與中部支撐柱同時(shí)澆筑。采用單元生死法，按時(shí)間先后激活相應(yīng)的單元，來(lái)模擬前一塊頂板澆筑完成后，相鄰下一塊頂板的澆筑。拆模時(shí)間為混凝土澆筑后第2天，根據(jù)該車站采用的“無(wú)縫分倉(cāng)法”施工組織設(shè)計(jì)，相鄰兩塊頂板澆筑時(shí)間間隔為7 d。拆模與否直接影響混凝土表面的對(duì)流散熱系數(shù)取值，從而改變整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布，因此需要有準(zhǔn)確的定義。溫度場(chǎng)模擬結(jié)果如圖3所示。從圖3中的溫度場(chǎng)變化規(guī)律來(lái)看，混凝土澆筑后，主要高溫區(qū)域集中在梁的中部，其原因主要是頂梁高度較大，混凝土更厚，在相同的散熱條件下，梁中心產(chǎn)生的水化熱與頂板相比更難以散失。在前一頂板澆筑后第二天(約36 h)，混凝土達(dá)到最高溫度74.8 ℃，此時(shí)正為計(jì)劃拆模時(shí)間。此后隨著拆模以及蓄水養(yǎng)護(hù)，結(jié)構(gòu)表面能更好地進(jìn)行散熱，混凝土溫度逐漸降至28 ℃左右，與環(huán)境溫度相近。經(jīng)過(guò)7 d的澆筑間隔，繼續(xù)開(kāi)始下一槽段頂板的澆筑。

圖3 頂板溫度場(chǎng)分布云圖

圖4 兩相鄰頂板混凝土溫度變化曲線

從全過(guò)程混凝土頂板最高溫度隨時(shí)間變化曲線(圖4)上可以更清楚地看到頂板溫度的變化規(guī)律，兩條曲線從形態(tài)到數(shù)值上都非常接近，說(shuō)明相鄰兩塊頂板的溫度變化規(guī)律趨于一致，當(dāng)澆筑時(shí)間間隔達(dá)到7 d時(shí)，互相之間基本不造成影響，這也從一個(gè)側(cè)面反映了進(jìn)行無(wú)縫分倉(cāng)施工時(shí)，保留7 d的施工間隔的必要性，這對(duì)控制相鄰大體積混凝土構(gòu)件之間的溫度應(yīng)力是有利的。

溫度場(chǎng)計(jì)算完成后，更換為SOLID 65單元進(jìn)行建模，對(duì)內(nèi)襯墻及底板的下端面進(jìn)行約束作為邊界條件。將前述溫度場(chǎng)結(jié)果作為荷載導(dǎo)入模型，進(jìn)行溫度應(yīng)力的計(jì)算。此時(shí)需要注意的是，計(jì)算過(guò)程中，溫度荷載隨時(shí)間變化，相應(yīng)的其他材料參數(shù)也應(yīng)隨時(shí)間變化。這里所涉及的材料參數(shù)以混凝土強(qiáng)度為主，其抗拉強(qiáng)度隨著時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。因此，本模型對(duì)混凝土強(qiáng)度隨時(shí)間的增長(zhǎng)過(guò)程予以考慮，即在每一計(jì)算步的初始狀態(tài)，調(diào)用不同時(shí)間點(diǎn)的混凝土強(qiáng)度數(shù)據(jù)。計(jì)算得到的混凝土應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果如圖5所示。

圖5 頂板混凝土溫度應(yīng)力場(chǎng)云圖

從圖5可見(jiàn)，頂板澆筑后主要受拉區(qū)域?yàn)轫敯迮c內(nèi)襯墻的交界處，以及相鄰兩塊頂板的交界處，這與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的裂縫出現(xiàn)的初始位置在很大程度上是符合的。從澆筑14 d后的溫度應(yīng)力圖可見(jiàn)，第9槽段頂板主要受拉區(qū)域與實(shí)際勘察得到的裂縫分布密集區(qū)基本一致，表明本模型的模擬結(jié)果與工程實(shí)際吻合，所模擬的溫度應(yīng)力是頂板裂縫形成的主要原因。而模擬結(jié)果中另一處應(yīng)力明顯區(qū)域是第8與第9槽段接縫處，這主要是因?yàn)槟M計(jì)算中，相鄰槽段邊界處因混凝土升溫出現(xiàn)較大形變。實(shí)際工程中采用的“跳倉(cāng)法”，通過(guò)合理安排澆筑間隔時(shí)間，比較充分地釋放了該位置產(chǎn)生的應(yīng)力，同時(shí)通過(guò)對(duì)接縫處混凝土的界面處理，可有效地避免該位置的混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂。

4 混凝土開(kāi)裂原因分析

導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂的原因有多個(gè)方面，從原材料、施工技術(shù)、施工方法、養(yǎng)護(hù)條件到結(jié)構(gòu)所受的外荷載等，都可能導(dǎo)致混凝土在不同階段出現(xiàn)裂縫。國(guó)內(nèi)外工程調(diào)查資料顯示，工程結(jié)構(gòu)中的裂縫，由變形約束引起的約占80%，由外荷載引起的約占20%，而這80%當(dāng)中包括由變形約束和荷載共同作用引起，但以變形變化為主的裂縫[9]。地鐵車站的主要外荷載包括地下水壓力、上部填土及側(cè)面土壓力、結(jié)構(gòu)不均勻沉降引起的局部應(yīng)力集中、環(huán)境溫度和濕度變化引起的應(yīng)力與應(yīng)變等。

地鐵車站通常設(shè)計(jì)有剛度較大的地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)，本工程主體結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置了鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，絕大部分側(cè)向土、水壓力由地下連續(xù)墻承擔(dān)。只有當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻變形過(guò)大時(shí)，來(lái)自土體與地下水的荷載才會(huì)傳遞到車站內(nèi)襯墻。而現(xiàn)場(chǎng)中央支撐的軸力與應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，本工程地下連續(xù)墻并未出現(xiàn)過(guò)大的變形，因此可以排除外荷載作用所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)裂縫。而頂板混凝土在水化過(guò)程中，由于水化熱引起的高溫膨脹變形和降溫時(shí)的收縮變形，有可能導(dǎo)致頂板中部和邊緣產(chǎn)生拉應(yīng)力，再加上加腋梁及內(nèi)襯墻的約束作用進(jìn)而形成裂縫，這應(yīng)該為本工程裂縫的主要成因。

本工程中，混凝土在拆模時(shí)已可以觀察到部分裂縫。養(yǎng)護(hù)期內(nèi)頂板混凝土表面濕度條件基本恒定，可以排除由于濕度變化引起的表面開(kāi)裂，因此這更應(yīng)該是混凝土水化熱帶來(lái)的溫度變化所導(dǎo)致。養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后，混凝土表面濕度差異較大，表層混凝土發(fā)生收縮變形，由此引起裂縫的二次發(fā)展。

在排除濕度和側(cè)向水、土壓力的影響后，模擬計(jì)算中重點(diǎn)考慮混凝土水化熱帶來(lái)的溫度變化所引起的應(yīng)力應(yīng)變。從前述對(duì)頂板混凝土溫度應(yīng)力的數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在頂板受到混凝土內(nèi)襯墻約束的情況下，溫度應(yīng)力是本車站混凝土頂板開(kāi)裂的主要原因。另外，就本工程而言，頂梁的布置形式，也會(huì)在一定程度上影響裂縫數(shù)量。對(duì)比8#和9#槽段，最大的區(qū)別在于頂梁的尺寸和形式，9#槽段頂梁相對(duì)復(fù)雜，混凝土體量更大，距離內(nèi)襯墻更近，對(duì)交界處的應(yīng)力分布影響更加顯著，推斷此為造成兩相鄰槽段裂縫數(shù)量差異較大的原因之一。在發(fā)現(xiàn)8#、9#槽段出現(xiàn)裂縫問(wèn)題后，施工方及時(shí)對(duì)混凝土原材料和配合比進(jìn)行了質(zhì)量控制和調(diào)整，在后續(xù)施工中有效緩解了該問(wèn)題。

5 裂縫的預(yù)防控制措施

對(duì)于地鐵車站這類地下結(jié)構(gòu)，裂縫控制從設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該引起重視。本工程溫度應(yīng)力的預(yù)防控制措施可從混凝土溫度控制和混凝土應(yīng)力控制兩方面入手。溫度控制即控制水化總升溫及降溫梯度；應(yīng)力控制即從原材料、配合比、施工方法、局部配置溫度應(yīng)力鋼筋等方面提高混凝土抵抗拉應(yīng)力的能力。為此，本工程主要采用了以下方法來(lái)預(yù)防和控制溫度裂縫。

1)選擇合適的混凝土材料。水泥的水化反應(yīng)是混凝土水化熱的來(lái)源，采用低熱水泥、減少水泥用量、提高礦物摻合料比例、降低骨料和拌和水溫度或控制水化效率等措施能有效降低混凝土澆筑初期的溫度，實(shí)現(xiàn)從源頭上控制溫度應(yīng)力。同時(shí)，加強(qiáng)原材料質(zhì)量控制，如骨料級(jí)配、含泥量等。優(yōu)化混凝土配合比可以在保證混凝土強(qiáng)度的前提下，提高工作性能和抗裂性能。澆筑完成后，保溫養(yǎng)護(hù)措施要及時(shí)跟上，以減小初期混凝土溫降梯度，保證水化反應(yīng)持續(xù)，利于控制溫度裂縫的形成。

2)采用“跳倉(cāng)法”施工。王鐵夢(mèng)[10]提出的“跳倉(cāng)法”，在大體積混凝土施工上已得到廣泛應(yīng)用，其“抗與放”核心準(zhǔn)則從結(jié)構(gòu)受到的內(nèi)外約束兩個(gè)方面進(jìn)行考慮?；炷翝仓螅瑴囟壬仙?，如果約束應(yīng)力為零，則可以自由膨脹；如果是完全約束，則應(yīng)力達(dá)到最大值，變形為零。但在實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)處于這兩者之間，即處于彈性約束狀態(tài)。本工程基于無(wú)縫分倉(cāng)法思路，進(jìn)行分段順序施工，合理設(shè)置施工間歇期，既確保了工期又有效釋放了溫度應(yīng)力，避免了混凝土界面處的裂縫。

3)配置溫度應(yīng)力鋼筋。一種是在結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，布設(shè)溫度鋼筋，承擔(dān)由結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力，限制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，減小裂縫寬度。配置目的是限裂，而非抗裂[11]，這在車站結(jié)構(gòu)中通常與水平分布鋼筋結(jié)合使用。另一種是配置鋼絲網(wǎng)。通過(guò)在易出現(xiàn)裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)面層區(qū)域內(nèi)增設(shè)鋼絲網(wǎng)，使之與原有結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)外荷載[12-13]。在本工程后期施工中，在頂板與內(nèi)襯墻的交界處及相鄰頂板角部，增設(shè)鋼筋網(wǎng)片來(lái)提高局部混凝土的抗裂能力，以確保即使開(kāi)裂也僅為細(xì)小裂縫，并限制裂縫向深層發(fā)展。

6 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用有限元軟件，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建立精細(xì)模型，對(duì)廈門地鐵2號(hào)線某車站頂板的溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，并將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)比。研究表明，地鐵車站結(jié)構(gòu)頂板裂縫主要分布在與兩側(cè)內(nèi)襯墻交界處的邊緣區(qū)域。同時(shí)頂梁的布置形式也對(duì)裂縫分布有一定影響，頂梁離板邊距離越小，越易造成應(yīng)力的集中從而引起開(kāi)裂。其裂縫形成的主要原因，是在內(nèi)襯墻約束作用下，混凝土頂板與內(nèi)襯墻交界處產(chǎn)生了較大的溫度應(yīng)力。為此，本研究提出一系列預(yù)防性控制措施，主要分為控制混凝土溫度和控制混凝土應(yīng)力兩個(gè)方面，并在實(shí)際施工中進(jìn)行嘗試。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，ANSYS的數(shù)值計(jì)算可以較準(zhǔn)確地得到溫度應(yīng)力分布區(qū)域，預(yù)測(cè)溫度裂縫出現(xiàn)的位置，能較有效地將頂板開(kāi)裂問(wèn)題轉(zhuǎn)化為頂板混凝土溫度應(yīng)力分布與控制問(wèn)題；本研究提出的防控措施，能為相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)工程的施工提供一定參考。但在模擬中也發(fā)現(xiàn)，兩相鄰頂板槽段之間的交界面也是溫度應(yīng)力較為集中的區(qū)域，而實(shí)際結(jié)構(gòu)中該位置少有裂縫，說(shuō)明模擬的結(jié)果仍需要結(jié)合實(shí)際情況做進(jìn)一步修正和優(yōu)化，以使模擬計(jì)算的結(jié)果更加準(zhǔn)確，更有益于發(fā)現(xiàn)實(shí)際工程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。