明挖地铁车站裂缝的工程应用分析

明挖地铁车站裂缝的工程应用分析

皇甫木东

天津市市政工程设计研究院天津市300380

摘要：城市中汽车数量的增多及原有道路没能有效拓宽，城市内的交通拥挤问题一直没有得到较好的解决，伴随着我国经济的发展，地铁建设对于大型城市的发展具有重要意义。经过对多个地铁车站的计算分析表明，车站正常使用工况对结构设计起着控制作用，本文将通过设计及施工方面对车站结构的裂缝进行分析。

关键词：地铁车站；正常使用工况；裂缝；构件设计；施工措施

引言：由于地铁车站多为狭长箱体框架结构,设计时多采用sap2000有限元软件建立二维模型，进行结构分析。分析得出结构内力如设计弯矩、轴力、剪力等，然后利用PKPM中混凝土构件设计模块来验算结构中不同构件的正常使用极限状态。另一方面地下车站结构为大型混凝土结构，更需要通过施工技术来控制构件的裂缝的产生及发展。

1.裂缝工况介绍

结构正常使用时的受力状态需要满足一定的要求，不同的结构类型或者不同的结构环境，结构中的构件应满足规范规定的控制条件。钢筋混凝土和预应力混凝土构件，应按下列规定进行受拉边缘应力或正截面裂缝宽度验算[1]：

1.一级裂缝控制等级：即；2.二级裂缝控制等级：即；

3.三级裂缝控制等级：即，对环境类别为二a类的预应力混凝土构件，在荷载准永久组合下，受拉边缘应力尚应符合下列规定:.

其中：、—荷载标准组合、准永久组合[2]下抗裂验算边缘的混凝土法向应力；—扣除全部预应力损失后在抗裂验算边缘混凝土的预压应力；—混凝土轴心抗拉强度标准值；—按荷载标准组合或准永久组合并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度；—最大裂缝宽度限值。

地铁明挖车站多为狭长型箱体框架结果，所以可以通过使用sap2000有限元软件，采用荷载结构模型进行计算，输入荷载均为标准值，所得内力结果为标准值。根据内力结果标准值利用PKPM中混凝土构件设计模块，进行箱体断面不同部位构件的裂缝宽度验算。车站裂缝宽度的限值在不同的城市地铁建设中有所不同，以下做详细说明。

2.裂缝宽度限值

由于车站结构为混凝土结构非预应力混凝土结构，所以裂缝控制等级按三级控制，由裂缝限值起控制作用[1]。关于裂缝限值，不同地区的地铁设计有所不同。大致一些区域为迎土面（考虑环境的干湿交替作用）限值为0.2mm，非迎土面不考虑混凝土的干湿交替作用取为0.3mm；另外一些区域为迎土面（当构件厚度大于300mm时，不再考虑环境的干湿交替作用）的限值为0.3mm，非迎土面限值依旧取为0.3mm.

3.设计方面控制裂缝措施

当裂缝不能满足设计限值的要求时，我们通过对《混凝土结构设计规范》GB50010-2010(2015版)第7.1.2款中裂缝公式分析[3]。减小裂缝宽度最直接有效的措施是增加构件受力方向的截面尺寸（厚度）或者混凝土强度等级，即增加了受力构件的抗力。其次，增加受力纵筋的配筋面积，当外在荷载不变时即减小了受力钢筋的拉应力进而降低钢筋的拉应变从而减小了混凝土的裂缝宽度；第三，当正常工况下构件裂缝宽度大于限值不是太多时，此时可以采取保证配筋率不变的前提下，减小钢筋直径，通过减小钢筋直径可以保证各钢筋截面受力均衡故可适当减小最大裂缝宽度，另一方面通过减小钢筋直径的方式增加了钢筋与混凝土的粘结面积可进一步减小最大裂缝宽度。第四，在条件允许的情况下减小最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离，以此可以将边缘处部分混凝土的受拉应力转换为钢筋的拉应力，同样可以达到降低构件裂缝宽度的目的。最后，混凝土边缘受拉时产生拉应力时才会产生裂缝，所以对构件由于受弯矩而在受拉区产生的裂缝可以采用适当增加构件轴压力，通过适当增加截面的压力以此减小混凝土构件受拉区的拉应力.

4.施工方面控制裂缝措施

地铁工程中尤其是车站结构中底板、顶板、侧墙，均属于大体积混凝土结构。大体积混凝土结构施工采取以下施工措施可以减小构件的裂缝开裂及发展。首先，避免搅拌过于干燥，可以防止混凝土中的细碎石料上浮表面，增加构件表面的光滑度，很难形成大量的含水层进而减少混凝土表面的龟裂[4]。第二、防止过早拆除模板，在施工完成后过早的拆除模板，混凝土尚未完全凝固便有负载，容易使混凝土产生裂缝。第三、由于水泥在水化反应中会产生大量的热，混凝土内部温度较高，表面温度低形成内外温度差，很容易使得构件由于温度不均而产生裂缝，所以合理减小水灰比、适当增加减水剂可以降低混凝土的水化作用，减少短时间内混凝土产生的热量，从而缩小混凝土内外的温差，由此可以减小由于温度不均产生的裂缝宽度。第四、大体积混凝土结构可以在施工技术允许的情况下，分层分段施工，以减小混凝土同一时间段释放热量的总量。最后，若是冬季施工需注意保温养护，若为夏季施工注意加水养护。

结论

通过以上分析，可以通过以下几种措施减小构件的裂缝宽度。1.在结构设计方面，：1）通过增构件截面尺寸或混凝土等级。2）增加受拉纵筋的截面面积。3）保证受拉纵筋的截面面积，减小纵筋直径。4）减小保护层厚度。5）适当增加构件断面的轴压力。2.施工方面，1）合理搅拌混凝土。2）避免过早拆模。3）减小短时间段内混凝土水化热。4）大体积混凝土结构分层分段施工。5）控制好合理的混凝土的养护条件。

参考文献：

[1]佚名.GB50010-2010(2015版).混凝土结构设计规范[S].中国建筑工业出版社.2015.

[2]佚名.GB50009-2012.建筑结构荷载规范[S].中国建筑工业出版社.2012.

[3]孟宪萍,王建伟.两种规范裂缝宽度计算结果对比分析[J].水利与建筑工程学报,2011.10.

[4]杨丹丹,张卓,杨建军.建筑施工现场混凝土裂缝的控制[J].建筑工程技术与设计.2018.06.