地铁车站主体结构温度裂缝研究

摘 要 大体积混凝土浇筑后，由于水泥水化热的作用，使得混凝土结构产生较大的温度应力，如果有老混凝土和墙基等外部约束作用，大体积混凝土就会产生裂缝，其中地铁车站主体结构最为典型，本文主要从大体积混凝土温度应力国内外研究现状和地铁车站主体结构裂缝产生原因两个方面来分析。

关键词 大体积混凝土;水泥水化热;温度应力;裂缝

引言

近几年来，继北京地铁之后，上海、广州、深圳、宁波等诸大城市纷纷兴起了大规模建造地下铁道的热潮。地铁车站作为轨道交通系统中的一个重要部分，占总造价的很大一部分比重，因此地铁车站设计的合理与否，都会直接影响轨道交通的社会效益和经济效益。目前，我国大部分地铁车站在主体结构上主要由顶板、中板、底板、连续墙及内衬墙几部分组成。轨道交通车站混凝土结构大多数为纵向长条状多层箱型结构，在其施工浇筑过程中混凝土由于水化热要释放处大量的热量，从而使得混凝土在固有干缩特性和环境温度变化（主要是温降）等因素的共同作用下，大体积混凝土的在内部及边界必定产生较大的收缩变形和徐变，从表观来看就是混凝土出现各种裂缝、变形。此外，由于地铁车站内衬墙及顶板受侧向约束作用，局部变形受到约束，从而大体积混凝土的内部及边界表面必定会出现较大的拉应力，如果该拉应力超过混凝土的抗拉强度允许值，混凝土的局部因拉应力集中而产生各类型有害裂缝。

1 大体积混凝土温度应力国内外研究现状

国外对混凝土温度与裂缝研究的起步比国内要相对早一些，美国对温度效应的研究最先始于30年代修建的拿鲍尔德大坝。20世纪30年代苏联的马斯洛夫运用弹性力学理论计算水坝的温度应力问题，并推导出了在基岩上矩形平面墙体的温度应力计算公式[1]。1961年京都大学的森忠次研究了与马斯洛夫类似的问题，在刚性假定下得出各种温度分布时的温度应力计算方法[2]。Thielen对基础底板上的墙体与底板交界处因混凝土水化热而产生的裂缝进行了分析，给出了理论计算方法，探讨了如何防止裂缝，提出了对底板进行预冷却，同时对墙体预加热的技术措施，并且在实际工程中进行了实测，与理论计算结果对比分析[3]。

国内对于混凝土结构温度场和温度应力场的研究主要集中在大坝混凝土、大型工程基础上等，并取得了一定的进展，获得了大量有价值的结果。在大体积混凝土温度效应问题上，朱伯芳是国内的学术界比较早关注这一问题的人之一，他提出了混凝土浇筑块、基础梁、重力坝等一系列计算方法[4]。针对混凝土坝分层施工，各层材料性质不同并随时间变化的特点，提出并层算法和分区异步算法。国内此领域的另一位泰斗级人物王铁梦在大量建设实践和现场试验研究的基础上，从力学的角度对混凝土裂缝产生的原因进行了研究，提出了“抗”与“放”的混凝土设计准则，在国内混凝土施工界广为应用[5]。刘宁，刘光庭从随机环境影响因素、混凝土结构的随机热力学参数、随机绝热温升以及混凝土老化等多种影响方面对混凝土结构的随机温度以及随机徐变应力的各种计算方法进行了系统的评述，指出了各种方法的适用性以及今后需要解決的问题[6]。

2 地铁车站主体结构裂缝产生原因

地铁车站结构中内衬墙的中下部以及施工缝处是产生裂缝的主要部位。内衬墙中裂缝的走向大部分是竖直的，也会有少量的环向裂缝以及极少的横向裂缝。地下车站的侧墙是混凝土薄壁结构。在混凝土薄壁结构中，随着混凝土的硬化，水泥水化热反应率越来越小，薄壁结构的整体温度不断降低，体积不断收缩。而内衬与底板之间，是新混凝土墙浇注在老混凝土板上，产生黏结力。又因新老混凝土的弹性模量及收缩程度不同，所以内衬墙的收缩受到底板的约束。特别是在已发生表面裂缝的地方，由于表面裂缝的存在使水分蒸发深入到内部，也即是使干缩作用深入到薄壁结构内部。又由于薄壁结构内部温度上升得很大，所以冷却过程中收缩也会很大。同时随着混凝土龄期的不断增加，弹性模量不断增加，徐变越来越小。事实上，混凝土的弹性模量在浇注后7天就基本达到与最终值相当的大小。由于上述原因，混凝土内衬墙在底板约束下会产生相当大的拉应力。而混凝土是脆性材料，抗拉强度只是抗压强度的1/10左右。当拉应力大于混凝土的抗拉强度时就会出现贯穿性裂缝。在内衬墙的上部基本处于无外约束的自由变形状态中。所以地铁车站内衬墙中的裂缝一般是竖向，且发生在内衬墙的中下部。

3 结束语

由于地铁车站混凝土个别表面与外界接触散热较快，无论是在升温或降温过程中，这些表面的温度总是会低于内部或散热条件不佳的其他表面，即使在混凝土硬化后期，仍会使混凝土内外产生温差。这种内外温差在混凝土内部形成了温度梯度，使其内外的变形不均匀，从而产生了温度应力。另外，在温度变化的过程中，混凝土的热胀冷缩也要受到外部既有结构的约束，产生应力影响。所以地铁车站主体结构产生很多的温度裂缝，其中内衬墙是整个主体结构的高危区。

参考文献

[1] 谭谨.地铁车站主体结构混凝土开裂温度场数值分析[D];湖南工业大学，2015.

[2] 王维.地铁车站混凝土结构开裂有限元分析[D]，上海交通大学;2008.

[3] 陈延卓.构造钢筋对明挖地铁车站混凝土侧墙早期温度应力场的作用—数值模拟与分析[D]，北京交通大学;2008.

[4] 朱伯芳.多层混凝土结构仿真应力分析的并层算法[J].水力发电学报，1994，（3）：21-30.

[5] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].中国建筑工业出版社，1997.

[6]崔帅.超长结构温度应力分析与控制[D];上海：同济大学，2007.