地铁车站顶板(逆筑法)施工阶段抗裂研究

地铁车站顶板(逆筑法)施工阶段抗裂研究张杰摘要：分析了施工阶段地铁车站顶板裂缝的成因，根据实测数据计算了监测段的温度应力。施工阶段水化热不会引起地铁车站顶板开裂，设计类似结构时，可以不设施工后浇带。采用低热水泥或降低水泥用量是减少水化热的关键。关键词：裂缝；结构；水化热；温度应力分类号：TU94文献标识码：A文章编号：0258-2724(2000)02-0133-04AStudyonCrackResistanceofSubwayStationTopFloorduringConstructionZHANGJie(SchoolofCivilEng.,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)Abstract：Thecauseofsubwaystationtopfloorcrackingduringconstructionisanalyzed,andthetemperaturestressesofthemonitoringsectionarecomputedusingthepracticaltestdata.Itispointedoutthatduringconstructionthehydrationheatwillnotcausethesubwaystationtopfloortocrack,andthatindesigningstructuresofthesamekind,itisunnecessarytodesigntheafter-pouringconstructionjoint.Ontheotherhand,usingcementoflowhydrationheatordecreasingtheamountofcementisimportant.Keywords：breaks;structures;hydrationheat;temperaturestress地铁车站一般采用厚度较大的现浇顶板等构件，属中等体积混凝土结构，且有结构自防水要求。在施工阶段由于施工水化热及温度变化和混凝土早期收缩，结构将产生内应力，其拉应力可能超过相应阶段混凝土抗拉强度，此时结构就会产生裂缝，造成渗水而影响使用。“逆筑法”施工的地铁车站，其特点是先做围护结构和中柱，然后进行顶板的浇筑，待其达到设计要求后，才开始向下挖土方，顺序施工中板和底板，而完成整个车站。由于其施工的特殊性，对于温度变化和混凝土收缩可能造成顶板的开裂，在设计和施工中引起了足够的重视。开展地铁车站顶板(逆筑法)施工阶段抗裂研究，以期对施工阶段地铁车站顶板混凝土水化热及早期收缩的影响有比较明确的认识。1温度应力及收缩应力地铁车站顶板采用“逆筑法”施工时，其周围受到边墙或连续边桩和岩土的均匀约束。1.1温度应力对地铁车站顶板，在板的x处，取微分体dx见图1，有HWdσx+τWdx=0(1)式中：H，W为板的厚度和宽度；σx为该微分体处板的应力(拉为正);τ为该微分体处板与地基间的剪应力。该微分体处的位移为u=u1+αTx(2)(3)τ=-Cxu(4)式中：u1为σx产生的位移；α为混凝土线膨胀系数；T为构件与周围温度的温差；Cx为地基岩土等对板的水平阻力系数，即板与地基间产生单位相对位移时两者间剪应力。对于给定的板，E,Cx,H均为定值。取，对式(2)取x的二阶导数可建立微分方程，解此方程并引入边界条件后有u=Bsinh(βx)(5)式中B为常数，由边界条件确定。地铁车站顶板要分段施工，下面按不同情况分别讨论。图1顶板受地基约束计算简图1.1.1分段两端无约束——间隔浇筑的板段边界条件为x=L/2，σx=0。可得(6)(7)当x=0时，温度正应力最大(8)图2示出不同Cx值下温度应力与结构长度的关系，曲线1为Cx=3×10-2N/mm3；曲线2为Cx=10×10-2N/mm3；曲线3为Cx=30×10-2N/mm3；曲线4为Cx=60×10-2N/mm3；曲线5为Cx=1N/mm3；曲线6为Cx=1.5N/mm3；从图中可看出伸缩缝只在较短的间距范围内，对削减温度应力起显著作用；车站顶板总是分段浇筑，分段长度若小于20m，将显温度应力。图2温度应力与结构长度关系1.1.2分段两端有无限大刚性约束——板段两端的顶板业已浇筑完毕达一周以上当板段两端顶板浇筑达一周以上，其强度可达70%，对现在浇筑板段有较强的约束。为方便分析，可认为约束为刚性无限大，由此可得出σxmax的上限，这是一个偏于安全的结论。当分段两端有无限大刚性约束时，代入其边界条件=L/2，u=0，有B=0，即U=0。所以(9)若混凝土强度等级为C30，要使σx不大于ft，则温差T应控制在5.8℃以下。1.1.3分段一端自由，一端有无限大刚性约束——车站两端板段和连续浇筑板段此时将座标原点设在有约束端，边界条件为x=0,u=0；x=l，σx=0。其最大温度应力为(10)拉应力最大处在固定端。进行施工水化热情况下裂缝控制时，要用混凝土初凝后不同龄期(按天，甚至按小时计)的弹性模量E进行计算。有E(t)=Eo(1-e-0.09t)(11)式中：Eo为混凝土最终弹性模量；E(t)为混凝土浇筑后到第t天的弹性模量。混凝土抗拉强度与龄期的关系为ft(t)=0.8fto(lgt)0.67(12)式中：fto为混凝土最终抗拉强度；ft(t)为混凝土浇筑后到第t天的抗拉强度。使用混凝土添加剂和掺入粉煤灰，要影响式（11）和式(12)的计算结果，不过二者的使用对抵抗水化热产生的裂缝有利，所以进行水化热的抗裂计算，采用式(11)和式(12)是安全的。1.2收缩应力混凝土在初凝后某一特定时间的收缩量，由经验公式确定ε(t)=εo(1-e-0.01t)(13)式中：εo为混凝土最终收缩量，一般可取3.24×10-4；ε(t)为混凝土浇筑后第t天的收缩量。2地铁车站顶板的现场测试和分析2.1测试的基本情况监测车站顶板采用C30泵送混凝土，使用了早强剂和缓凝剂，掺入12%的粉煤灰。顶板沿长度设有5条施工后浇带，将顶板分为6块，每块板段又分为2～3段浇筑混凝土，监测段长为16m，宽为21.8m，板厚0.8m，秋季施工。测温点布置在监测段中间和近端部截面，共18个测点，测温元件为CW-7，采用配套的数字化测试仪CS-3，引线用双芯屏蔽线。监测段位置如图3，测点布置如图4。图3监测段平面位置图4测点布置2.2测试结果及分析地铁车站顶板，混凝土水化热引起的温度升降随时间变化，升温阶段最重要的参数是最高温度，常以截面中部的最高温度作为代表。水化热升温时间较短，此时混凝土弹性模量和抗拉强度均很小，处于塑性状态。所以升温阶段达最高温度时，结构一般不会开裂。而在降温阶段混凝土弹性模量迅速增大，温度应力也随之增大，当温度应力大于此时的混凝土抗拉强度，结构就会开裂，因此，掌握混凝土水化热升降温全过程曲线，对进行施工阶段抗裂计算十分重要。将测点2和5中点的逐日温度观测值列于表1中。表1C2，C5中测点逐日温度升降值日期/天01234567891011121314151617181920212223242526272829C2中点2433.160.754.848.442.440.737.634.533.432.530.130.029.329.128.228.027.426.926.826.125.223.222.622.522.322.121.821.520.7C5中点2446.862.150.448.643.940.637.333231.330.627.928.327.327.126.826.225.825.324.823.422.822.121.921.721.521.321.220.920.1从表中可看出最高温升在第2天(即48h左右)，当混凝土浇筑25天后，温度变化已趋于稳定。图5是根据实测结果绘出的测点2，上、中、下3点的升降温曲线。从图5中可看出，车站顶板升温剧烈，达到最高温升仅需2～2.5天，相对温升值较大，达32～37℃；降温时车站顶板前4天温度迅速降低，曲线很陡，尔后渐趋平缓。这说明在第一周是车站顶板水化热温度的剧烈变化时期，应特别加强养护。图5C2实测升降温曲线以下讨论裂缝控制，把限制内部裂缝的发生作为抗裂要求。在计算温度应力时，要考虑收缩这个因素，为方便计算，把收缩转化为等效温度场，即认为收缩产生的变形，相当于同样变形所需要的温度，并将它与水化热温度场叠加。所以有(14)混凝土收缩是由表及里的，收缩量随许多具体条件的差异而变化，在计算中仅考虑水力半径倒数的影响，取影响系数为0.54。计算温度应力时，温度变化可按小时计，也可以天计。本次计算将总降温差分为台阶温差，步距3天。监测段是在其左侧分段浇筑后第6天开始浇筑，16h浇筑完毕；其右侧分段在监测段浇筑后第8天开始浇筑，此时监测段降温已平缓，因此该段可看作是一端有刚性约束一端自由的板段，温度应力按式(10)计算，考虑混凝土泊桑比μ(一般取1/6)，可写成(15)顶板是在地模上浇筑，在地模表面刷了脱模剂，因此可认为地基对顶板温度变形无阻碍。顶板周围有侧桩，桩距2m，桩径1.2m，在顶板中线有钢管混凝土柱，柱径0.7m，柱距8m，它们对顶板的温度变形有阻碍作用，但尚无计算办法。近似按桩基等受水平力的基本微分方程导出按无桩计算的定量的公式，即认为桩基对板的水平阻力系数，近似等于桩头产生单位侧移的水平力除以该桩承担的顶板面积。计算中进一步简化为将监测段内所有侧桩和柱发生单位侧移的水平力之和除以监测段面积作为桩基等对该段的水平阻力系数。桩头固接时，发生单位侧移的水平力(16)式中：F为桩头单位侧移的水平力；Kh为地基水平侧移刚度，取1×10-2N/mm3；b为桩的直径；A为监测段面积；Cx为桩和柱产生的单位面积的阻力。表2所示为台阶总降温差、温度收缩应力和28天龄期C30混凝土抗拉强度。从表2中可看出，在28天龄期内，混凝土水化热及早期收缩产生的应力不可能引起结构开裂，其中ft(t)按式(12)计算。表2台阶总降温差、温度收缩应力和28天龄期C30混凝土抗拉强度日期／天5811141720232629台阶总降温差／℃18.88.44.871.482.041.833.960.831.8σ(t)／MPa0.140.2020.240.250.2660.280.310.3160.331ft(t)／MPa0.941.121.231.311.381.431.481.501.503结论和建议(1)在施工阶段，虽然顶板混凝土水化热温升仍较高，但不会在结构中部产生裂缝。(2)虽然采用了外加剂和掺入12%的粉煤灰，但水化热温升较高。这主要是使用525#普通水泥，且混凝土水泥用量达330kg所致。如能在保证混凝土强度的前提下采用其它低热水泥或降低水泥用量，减少水化热是可以做到的。(3)车站顶板设置了5条后浇带，从车站顶板分段施工和理论分析的情况看，后浇带的设置似无必要。(4)当不设后浇带时，应将板段长度控制在20m以内。即对很长的结构设3～4个作业面间隔施工；对与每个作业面相接的板段，长度减小到6～8m，适当增加纵筋，施工时间有意推后到相邻板段浇筑完成一月以后。作者简介：张杰(1957－),男,讲师．张杰(西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)参考文献：［1］王铁梦.建筑物的裂缝控制［M］.上海：上海科学技术出版社，1987：65～112．［2］GBJ10-89.混凝土结构设计规范［S］．北京：中国建筑工业出版社,1989：81～90．收稿日期:1999