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摘 要：本文主谈地铁车站结构温度裂缝的防治办法，结合工程实例, 分析影响隧道温度应力的因素, 如水化热、骨料、入模温度、养护、后浇带等, 并给出相应的工程建议。
关键词：温度裂缝;裂缝间距;温度应力;地下结构
中图分类号： TV543 文献标识码： A
1 地铁车站温度裂缝的产生
地铁车站为地下结构时, 明(盖)挖车站的覆土厚度一般为2~4m, 暗挖车站覆土厚度一般为4m以上。在我国大部分地区, 在地面2m以下的结构一般不受冻害和地面热量影响, 即土壤温度基本保持恒温状态。根据气象统计资料, 亚热带地区的地下土壤温度一般17℃左右, 其随季节而波动的幅度较小。地铁车站在使用期间的室内温度均由空调调控, 一般保持在27℃左右。因此,地铁车站所承受的环境温差、室内外温差明显小于地面建筑及其地下室所承受温差,因而地铁车站存在加大温度缝间距或取消温度缝的可能性。
混凝土结构产生温度裂缝大体分成两个阶段: 混凝土浇注期间, 混凝土由水化热引起温升和混凝土凝固降温收缩时产生的变形受到约束后产生裂缝; 混凝土使用期间, 混凝土结构整体降温变形受到约束后产生裂缝。因此, 混凝土收缩、温差是结构产生温度裂缝的主要原因。
2 温度缝控制理论
由于隧道衬砌混凝土的干缩、热胀冷缩和初衬外侧围岩阻碍了衬砌的自由胀缩, 所以在衬砌内部产生了温度应力。由于混凝土的抗拉应力远低于抗压强度的材料, 故能抵抗升温时产生的压应力, 而难以抵抗降温时产生的拉应力。
2. 1混凝土浇注期间
混凝土的弹性模量Ei(t)是逐渐由小变大的, 因而温度收缩应力是降温过程的一个累积的结果。
温度收缩应力为
式中:△Ti为第i段温差; Ei(t)为第i段降温时的弹性模量; Hi( t, )为第i段龄期i,经过由t至i时间的应力松弛系数, t为由峰值温度降至周围气温的时间; Cx为地基对混凝土的约束系数, N/mm3; a为混凝土的线膨胀系数。
式中: s为宽度, m;H为墙高, m; L为混凝土一次性整浇的长度, m; t1为内衬平均厚度, m; t2为顶、底板平均厚度, m。
2. 2混凝土使用期间
温度收缩应力为
式中:E为混凝土弹性模量, 104Mpa,T为综合温差,℃。
综合温差为
T=T1+T2+T3
式中: T1为水化热形成的温差,℃;T2为环境温差,℃;T3=εy(t)/a;εy为混凝土收缩值。
一般地,普通混凝土早期(10~15d)的极限拉伸很低,εy=(2~3)×10-4, a=10×10-6, εy极限值为2×10-4。
混凝土平均温度缝间距, 有
式中: εp为极限拉伸值, 当材质不佳、养护不良时为(05~0.8)×10-4,当材质优选养护优良、缓慢降温时为2×10-4,中间状况为(1~1.5)×10-4。
3温度缝控制理论的讨论
(1)从式(1)、式(2)看出, 混凝土结构的最大控制应力同温差、收缩差及线膨胀系数成正比。混凝土结构的弹性模量增加, 则应力增加; 混凝土结构受到地基的约束程度,即地基对混凝土结构的阻力系数Cx增加, 则应力增加;混凝土结构的厚度增加, 则应力降低; 但所有这些关系都呈非线性关系。特别地, 最大应力不仅与高长比(H/L)有关, 而且与绝对尺寸混凝土结构长度有关。长度增加,则应力增加, 但不是线性关系。在较短的范围内, 长度对应力影响较大, 超过一定长度后,影响变小,其后趋于常数, 继之, 无论长度如何增加, 应力不变。
(2)从式(2)、式(3)看出: 一般总是|aT|>εp,它们的差距越小, 温度缝间距越大, 如果采取措施使两者趋近, 则完全无需设置温度缝。
(3) 特别值得注意的是, L为混凝土一次性整浇的长度, 当采取跳仓或留置后浇带等方法施工时, 实际上起到了减小混凝土浇注期间的收缩应力, 从而控制温度缝出现的作用。当采取跳仓或留置后浇带施工时, 使用期间的T(综合温差)可只计算T=T2+T3,进而起到缩小使用期间温度收缩应力的作用。当辅助以其他施工措施时, 如混凝土结构外裹薄膜以减小Cx、设置细而密的抗温度收缩应力的构造钢筋、控制水化热、加强养护等, 理论上混凝土结构可以取消温度缝。实际上,已经在诸多国内工程中依据该理论取消了温度缝, 并获得成功。
(4) 地铁车站多为狭长型混凝土结构, 且多以约20m长度划分施工段, 其先后施工段的浇注时间间隔一般大于1个月。换句话说, 地铁车站结构实际上都在“后浇”施工, 因而在采取其他辅助措施时可以放大温度缝的间距, 或者取消温度缝。
4 降低温度应力的措施
在混凝土浇注期间, 混凝土水化热升温时间很短,大约在混凝土浇注后2~5d即达到峰值, 此时混凝土弹性模量很低, 基本处于塑性及弹塑性阶段, 约束应力很低。在水化热降温时段, 混凝土弹性模量迅速增加,约束拉应力也随之增加, 当在某个时刻超过混凝土抗拉强度时, 便出现与拉应力方向垂直的竖向裂缝。
如果以防为主, 使用温控施工技术, 降低水化热值则能起到加大温度缝间距的目的。根据这个原理, 可以在施工过程中采取一定措施, 降低水化热值, 最终达到不设温度缝的目的, 下面为通常采用的施工措施。
4. 1材料方面
水泥的种类很多, 可选用的425#低热硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥, 施工时再加入粉煤灰或炉渣等活性物质。如果混凝土强度小于C50时, 采用硅酸盐水泥、粉煤灰水泥也是可行的。控制水泥用量, 一般地铁结构的水泥用量为290~320kg/m3,此值符合无缝设计的要求。
降低水灰比是防止混凝土干缩的重要手段, 一般不宜大于0. 45。可采用高效减水剂来控制水灰比, 并满足坍落度和和易性、流动性要求。这一类的减水剂通常为木质素硫磺钙减水剂。
采用5~40mm的石子比采用5~25mm的石子, 每m3混凝土减少水用量15kg左右, 在相同水灰比的情况下, 水泥可减少20kg左右。采用中、粗砂, 其细度模数为2. 79, 平均粒径0. 381mm, 它比采用细砂(细度模数为2. 12, 平均粒径0. 336mm), 每m3混凝土减少水用量20~25kg, 水泥相应也减少28~35kg, 从而降低混凝土干缩。砂、石的含泥量必须严格控制。石子的含泥量控制在小于1%, 黄砂含泥量控制小于2%以内。掺加150~250mm大石块, 不仅减少混凝土总量和水泥用量, 降低了水化热, 而且石块本身也吸热, 使水化热进一步降低, 给控制裂缝带来好处。
4. 2混凝土的拌制和浇注、养护
为了减少混凝土的总升温, 减少基础温差和内外温差, 控制出机及浇灌温度也是一项重要措施。在气温较高时, 为防止太阳直射砂、石, 应设置遮阳罩。混凝土养护时间不短于28d, 侧模用草袋养护很有必要,拆模后混凝土表面暴露时间不宜过长。
4. 3结构施工次序
应采用后浇带的方法或跳仓法施工, 根据Cx对混凝土温度裂缝的影响得知, 混凝土垫层等级宜降低, 最好能仅够施工使用即可。
5 工程实例
某地铁工程1号线试验段为地下双层岛式车站,车站总长259. 6m,车站宽度18.9m。车站采用双层双跨箱形框架结构,顶板覆土埋深约5.0m,底板埋深约18. 0m,车站顶板厚1m,侧墙厚0.7m,底板厚1.2m。中庭下沉段长约50m,顶、底板厚1.2m,侧墙厚1.2m。车站高13.2m,中庭下沉段高12m,车站采用全外包防水。本车站采用无温度缝设计, 用跳仓法进行明挖施工,该工程耗时32个月竣工。
5. 1设计采取的措施
选用了425#低热硅酸盐水泥, 施工时再加入粉煤灰或炉渣等活性物质; 采用补偿收缩防水混凝土, 补偿收缩率为2.0×10-4; 控制水泥用量不超过290kg/m3;水灰比控制在0. 45以内; 车站各层板的纵向构造配筋提高到0. 35%, 车站纵向构造筋配筋率0. 35%。
5. 2施工采取的措施
整個车站由于交通倒改需要,同时结合分段施工的设计要求,划分为两个基坑同时施工, 中间用隔离桩进行分隔。此法相当于设置了2个“大后浇带”的施工方法。每个基坑再进行跳仓施工; 为了减少混凝土的总升温, 减少基础温差和内外温差, 控制出机及浇灌温度不超过28℃。在气温较高时, 为防止太阳直射砂、石,设置遮阳罩。
混凝土养护时间不短于28d, 侧模用草袋养护, 拆模后混凝土表面暴露时间不宜过长。掺加抗裂防渗剂后,混凝土能产生膨胀效应、补偿混凝土收缩、降低混凝土的温差。
5. 3 施工效果
该工程竣工停止降水后, 仅在中庭下沉段侧墙两侧发现对称分布的11条间距3m左右的竖向裂缝(其中最宽为表面裂缝宽度3mm, 长约9m), 车站其他部位未出现裂缝。据事后调查, 中庭下沉段出现的裂缝, 是因为当时施工本段时正值8月酷暑季节, 混凝土入模温度较高, 且没有采取混凝土内部预埋冷却循环水的措施。总体说来, 施工效果相当显著。
6结语
在通常情况下, 地铁车站需要设置温度缝, 而温度缝只在较短间距范围内对消弱温度收缩应力起显著作用,超过一定长度, 即使设置温度缝也没有意义。简而言之, “留温度缝, 宜短些; 若过长,则失去效用”。留温度缝不仅麻烦,且主要缺点是漏水并对抗震不利,应尽量避免。
通过理论分析, 加大设缝间距或取消温度缝, 必须设法降低混凝土温差或混凝土收缩, 降低混凝土的水化热和收缩, 才能达到控制裂缝的目的。
参考文献
[1] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京: 中国建筑工业出版社, 2007
[2] 郭剑飞. 超长混凝土结构的裂缝控制与对应技术措施[J]. 建筑科学, 2008(11).
关键词：温度裂缝;裂缝间距;温度应力;地下结构
中图分类号： TV543 文献标识码： A
1 地铁车站温度裂缝的产生
地铁车站为地下结构时, 明(盖)挖车站的覆土厚度一般为2~4m, 暗挖车站覆土厚度一般为4m以上。在我国大部分地区, 在地面2m以下的结构一般不受冻害和地面热量影响, 即土壤温度基本保持恒温状态。根据气象统计资料, 亚热带地区的地下土壤温度一般17℃左右, 其随季节而波动的幅度较小。地铁车站在使用期间的室内温度均由空调调控, 一般保持在27℃左右。因此,地铁车站所承受的环境温差、室内外温差明显小于地面建筑及其地下室所承受温差,因而地铁车站存在加大温度缝间距或取消温度缝的可能性。
混凝土结构产生温度裂缝大体分成两个阶段: 混凝土浇注期间, 混凝土由水化热引起温升和混凝土凝固降温收缩时产生的变形受到约束后产生裂缝; 混凝土使用期间, 混凝土结构整体降温变形受到约束后产生裂缝。因此, 混凝土收缩、温差是结构产生温度裂缝的主要原因。
2 温度缝控制理论
由于隧道衬砌混凝土的干缩、热胀冷缩和初衬外侧围岩阻碍了衬砌的自由胀缩, 所以在衬砌内部产生了温度应力。由于混凝土的抗拉应力远低于抗压强度的材料, 故能抵抗升温时产生的压应力, 而难以抵抗降温时产生的拉应力。
2. 1混凝土浇注期间
混凝土的弹性模量Ei(t)是逐渐由小变大的, 因而温度收缩应力是降温过程的一个累积的结果。
温度收缩应力为
式中:△Ti为第i段温差; Ei(t)为第i段降温时的弹性模量; Hi( t, )为第i段龄期i,经过由t至i时间的应力松弛系数, t为由峰值温度降至周围气温的时间; Cx为地基对混凝土的约束系数, N/mm3; a为混凝土的线膨胀系数。
式中: s为宽度, m;H为墙高, m; L为混凝土一次性整浇的长度, m; t1为内衬平均厚度, m; t2为顶、底板平均厚度, m。
2. 2混凝土使用期间
温度收缩应力为
式中:E为混凝土弹性模量, 104Mpa,T为综合温差,℃。
综合温差为
T=T1+T2+T3
式中: T1为水化热形成的温差,℃;T2为环境温差,℃;T3=εy(t)/a;εy为混凝土收缩值。
一般地,普通混凝土早期(10~15d)的极限拉伸很低,εy=(2~3)×10-4, a=10×10-6, εy极限值为2×10-4。
混凝土平均温度缝间距, 有
式中: εp为极限拉伸值, 当材质不佳、养护不良时为(05~0.8)×10-4,当材质优选养护优良、缓慢降温时为2×10-4,中间状况为(1~1.5)×10-4。
3温度缝控制理论的讨论
(1)从式(1)、式(2)看出, 混凝土结构的最大控制应力同温差、收缩差及线膨胀系数成正比。混凝土结构的弹性模量增加, 则应力增加; 混凝土结构受到地基的约束程度,即地基对混凝土结构的阻力系数Cx增加, 则应力增加;混凝土结构的厚度增加, 则应力降低; 但所有这些关系都呈非线性关系。特别地, 最大应力不仅与高长比(H/L)有关, 而且与绝对尺寸混凝土结构长度有关。长度增加,则应力增加, 但不是线性关系。在较短的范围内, 长度对应力影响较大, 超过一定长度后,影响变小,其后趋于常数, 继之, 无论长度如何增加, 应力不变。
(2)从式(2)、式(3)看出: 一般总是|aT|>εp,它们的差距越小, 温度缝间距越大, 如果采取措施使两者趋近, 则完全无需设置温度缝。
(3) 特别值得注意的是, L为混凝土一次性整浇的长度, 当采取跳仓或留置后浇带等方法施工时, 实际上起到了减小混凝土浇注期间的收缩应力, 从而控制温度缝出现的作用。当采取跳仓或留置后浇带施工时, 使用期间的T(综合温差)可只计算T=T2+T3,进而起到缩小使用期间温度收缩应力的作用。当辅助以其他施工措施时, 如混凝土结构外裹薄膜以减小Cx、设置细而密的抗温度收缩应力的构造钢筋、控制水化热、加强养护等, 理论上混凝土结构可以取消温度缝。实际上,已经在诸多国内工程中依据该理论取消了温度缝, 并获得成功。
(4) 地铁车站多为狭长型混凝土结构, 且多以约20m长度划分施工段, 其先后施工段的浇注时间间隔一般大于1个月。换句话说, 地铁车站结构实际上都在“后浇”施工, 因而在采取其他辅助措施时可以放大温度缝的间距, 或者取消温度缝。
4 降低温度应力的措施
在混凝土浇注期间, 混凝土水化热升温时间很短,大约在混凝土浇注后2~5d即达到峰值, 此时混凝土弹性模量很低, 基本处于塑性及弹塑性阶段, 约束应力很低。在水化热降温时段, 混凝土弹性模量迅速增加,约束拉应力也随之增加, 当在某个时刻超过混凝土抗拉强度时, 便出现与拉应力方向垂直的竖向裂缝。
如果以防为主, 使用温控施工技术, 降低水化热值则能起到加大温度缝间距的目的。根据这个原理, 可以在施工过程中采取一定措施, 降低水化热值, 最终达到不设温度缝的目的, 下面为通常采用的施工措施。
4. 1材料方面
水泥的种类很多, 可选用的425#低热硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥, 施工时再加入粉煤灰或炉渣等活性物质。如果混凝土强度小于C50时, 采用硅酸盐水泥、粉煤灰水泥也是可行的。控制水泥用量, 一般地铁结构的水泥用量为290~320kg/m3,此值符合无缝设计的要求。
降低水灰比是防止混凝土干缩的重要手段, 一般不宜大于0. 45。可采用高效减水剂来控制水灰比, 并满足坍落度和和易性、流动性要求。这一类的减水剂通常为木质素硫磺钙减水剂。
采用5~40mm的石子比采用5~25mm的石子, 每m3混凝土减少水用量15kg左右, 在相同水灰比的情况下, 水泥可减少20kg左右。采用中、粗砂, 其细度模数为2. 79, 平均粒径0. 381mm, 它比采用细砂(细度模数为2. 12, 平均粒径0. 336mm), 每m3混凝土减少水用量20~25kg, 水泥相应也减少28~35kg, 从而降低混凝土干缩。砂、石的含泥量必须严格控制。石子的含泥量控制在小于1%, 黄砂含泥量控制小于2%以内。掺加150~250mm大石块, 不仅减少混凝土总量和水泥用量, 降低了水化热, 而且石块本身也吸热, 使水化热进一步降低, 给控制裂缝带来好处。
4. 2混凝土的拌制和浇注、养护
为了减少混凝土的总升温, 减少基础温差和内外温差, 控制出机及浇灌温度也是一项重要措施。在气温较高时, 为防止太阳直射砂、石, 应设置遮阳罩。混凝土养护时间不短于28d, 侧模用草袋养护很有必要,拆模后混凝土表面暴露时间不宜过长。
4. 3结构施工次序
应采用后浇带的方法或跳仓法施工, 根据Cx对混凝土温度裂缝的影响得知, 混凝土垫层等级宜降低, 最好能仅够施工使用即可。
5 工程实例
某地铁工程1号线试验段为地下双层岛式车站,车站总长259. 6m,车站宽度18.9m。车站采用双层双跨箱形框架结构,顶板覆土埋深约5.0m,底板埋深约18. 0m,车站顶板厚1m,侧墙厚0.7m,底板厚1.2m。中庭下沉段长约50m,顶、底板厚1.2m,侧墙厚1.2m。车站高13.2m,中庭下沉段高12m,车站采用全外包防水。本车站采用无温度缝设计, 用跳仓法进行明挖施工,该工程耗时32个月竣工。
5. 1设计采取的措施
选用了425#低热硅酸盐水泥, 施工时再加入粉煤灰或炉渣等活性物质; 采用补偿收缩防水混凝土, 补偿收缩率为2.0×10-4; 控制水泥用量不超过290kg/m3;水灰比控制在0. 45以内; 车站各层板的纵向构造配筋提高到0. 35%, 车站纵向构造筋配筋率0. 35%。
5. 2施工采取的措施
整個车站由于交通倒改需要,同时结合分段施工的设计要求,划分为两个基坑同时施工, 中间用隔离桩进行分隔。此法相当于设置了2个“大后浇带”的施工方法。每个基坑再进行跳仓施工; 为了减少混凝土的总升温, 减少基础温差和内外温差, 控制出机及浇灌温度不超过28℃。在气温较高时, 为防止太阳直射砂、石,设置遮阳罩。
混凝土养护时间不短于28d, 侧模用草袋养护, 拆模后混凝土表面暴露时间不宜过长。掺加抗裂防渗剂后,混凝土能产生膨胀效应、补偿混凝土收缩、降低混凝土的温差。
5. 3 施工效果
该工程竣工停止降水后, 仅在中庭下沉段侧墙两侧发现对称分布的11条间距3m左右的竖向裂缝(其中最宽为表面裂缝宽度3mm, 长约9m), 车站其他部位未出现裂缝。据事后调查, 中庭下沉段出现的裂缝, 是因为当时施工本段时正值8月酷暑季节, 混凝土入模温度较高, 且没有采取混凝土内部预埋冷却循环水的措施。总体说来, 施工效果相当显著。
6结语
在通常情况下, 地铁车站需要设置温度缝, 而温度缝只在较短间距范围内对消弱温度收缩应力起显著作用,超过一定长度, 即使设置温度缝也没有意义。简而言之, “留温度缝, 宜短些; 若过长,则失去效用”。留温度缝不仅麻烦,且主要缺点是漏水并对抗震不利,应尽量避免。
通过理论分析, 加大设缝间距或取消温度缝, 必须设法降低混凝土温差或混凝土收缩, 降低混凝土的水化热和收缩, 才能达到控制裂缝的目的。
参考文献
[1] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京: 中国建筑工业出版社, 2007
[2] 郭剑飞. 超长混凝土结构的裂缝控制与对应技术措施[J]. 建筑科学, 2008(11).