曹鑫寶

（中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司， 天津 300450）

1 引言

隨著交通擁堵問(wèn)題日趨嚴(yán)重， 地鐵逐漸成為城市通勤的主要交通工具。 地鐵車站的修建常常伴隨大體積混凝構(gòu)件的澆筑， 但大體積混凝土因?yàn)閮?nèi)外溫度差差異， 在表面常出現(xiàn)拉應(yīng)力裂縫，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的降低［1］。

國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于大體積混凝土抗裂的研究， 文獻(xiàn)［2］中提出了預(yù)測(cè)大體積混凝土核心層溫度的計(jì)算模型， 并將預(yù)測(cè)結(jié)果與傳熱數(shù)值工具結(jié)合， 用于驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果。

文獻(xiàn)［3］研究了水化溫度與誘發(fā)底板應(yīng)力的關(guān)聯(lián)， 通過(guò)比較高度、 水泥類型等參數(shù)對(duì)混凝土熱量的影響， 驗(yàn)證了水化溫度與底板應(yīng)力的關(guān)聯(lián)性。 文獻(xiàn)［4］討論了國(guó)內(nèi)外針對(duì)大體積混凝土溫度裂縫的控制方法， 提出了改進(jìn)建議。 文獻(xiàn)［5~6］研究了混凝土底板的施工要點(diǎn)， 并提出了養(yǎng)護(hù)策略和控制溫度措施。

本文以天津市欣嘉園東站基坑為研究背景，通過(guò)在地鐵站底板中預(yù)埋傳感器， 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大體積混凝土的溫度、 應(yīng)力和位移變化情況， 并采用有限元軟件對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析， 研究結(jié)構(gòu)特性對(duì)溫度影響下的應(yīng)力－位移耦合效應(yīng)和溫度分布的影響規(guī)律。

2 工程概況

欣嘉園東站是B1 線第一座車站。 車站位于西中環(huán)快速路與欣嘉園南路交口東南象限， 現(xiàn)狀空地內(nèi)， 沿欣嘉園南路南側(cè)呈東西向布置。 車站中心里程頂板覆土厚度0.96m， 起點(diǎn)里程頂板覆土厚度1.26m， 終點(diǎn)里程頂板覆土厚度0.59m。車站主體總長(zhǎng)度左線406.63m， 右線336.7m， 標(biāo)準(zhǔn)段寬22.4m， 盾構(gòu)井段寬為27.74m。 主體建筑高度為13.24m， 盾構(gòu)井處為14.68m。 地下一層為站廳層， 地下二層為站臺(tái)層， 本站設(shè)置2 個(gè)出入口A、 D （B、 C 為預(yù)留口）， 車站布置2 組風(fēng)亭組共計(jì)8 個(gè)風(fēng)亭直接頂出、 均為低矮有蓋風(fēng)亭。 車站主體及附屬圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻的圍護(hù)形式， 墻厚0.8m， 標(biāo)準(zhǔn)段基坑深13.10m，墻長(zhǎng)28.10m； 盾構(gòu)井段基坑深13.87m， 墻長(zhǎng)28.73m。 采用鎖口管接頭方式。 本站主體及附屬結(jié)構(gòu)均采用明挖順做法施工。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法

為了觀測(cè)建設(shè)過(guò)程中結(jié)構(gòu)底板在澆筑后的溫度變化及應(yīng)力變化情況， 在澆筑前的底板模板中布置不同的溫度監(jiān)控點(diǎn)和應(yīng)變監(jiān)控點(diǎn)。 一共設(shè)置15 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位， 分為三排放置， 其中底板底面布置1 號(hào)～6 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)， 底板中心處布置7 號(hào)～9 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與， 底板外側(cè)面布置10 號(hào)～15 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位垂直布置兩個(gè)傳感器。 測(cè)點(diǎn)布置詳細(xì)位置圖見(jiàn)圖1。 應(yīng)變傳感器采用XH-114 弦式半埋入應(yīng)變傳感器， 用于監(jiān)測(cè)澆筑后底板不同部位應(yīng)變的數(shù)據(jù)變化。 溫度傳感器采用XHs-D18智能溫控傳感器， 用于監(jiān)測(cè)澆筑后底板不同部位溫度的數(shù)據(jù)變化。 在底板澆筑完成4 天后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)， 應(yīng)變數(shù)據(jù)每0.5 天讀取一次， 溫度數(shù)據(jù)每1 天記錄一次。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置詳細(xì)位置

4 結(jié)果分析

地鐵車站底板澆筑后， 底板可分為上部、 中部、 底部三層， 每層的測(cè)點(diǎn)溫度隨澆筑時(shí)間的變化曲線如圖2 所示。

觀察圖2 可以看出， 在混凝土完成澆筑后，地鐵底板的溫度從上部到底部的變化趨勢(shì)基本相同， 即開(kāi)始的時(shí)候底板內(nèi)部的溫度急速上升， 然后逐漸下降。 但不同的部位表現(xiàn)出的趨勢(shì)仍然有較大的差別。 底板底部的溫度在第三天時(shí)達(dá)到51.2℃的最高溫度， 位于底面的測(cè)點(diǎn)4 處的溫度最高， 其次是位于中部的測(cè)點(diǎn)5， 位于外側(cè)面的測(cè)點(diǎn)6 溫度最低， 因?yàn)檫@些測(cè)點(diǎn)處于底部， 底板內(nèi)部的熱量只能向上消散， 靠近外側(cè)的測(cè)點(diǎn)溫度消散更快速。 底板中部的溫度在第二天時(shí)達(dá)到58.5℃的最高溫度， 位于底板底部的測(cè)點(diǎn)9 處的溫度最高， 其次是位于中部的測(cè)點(diǎn)8， 位于外側(cè)面的測(cè)點(diǎn)7 溫度最低， 測(cè)點(diǎn)9 只與外界有一面接觸熱量消散相對(duì)更慢。 底板上部的溫度在第一天時(shí)達(dá)到41.4℃的最高溫度， 位于底部的測(cè)點(diǎn)10處的溫度最高， 其次是位于中部的測(cè)點(diǎn)11， 位于外側(cè)面的測(cè)點(diǎn)12 溫度最低。

混凝土底板外部、 中部和底部的溫度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化趨勢(shì)曲線如圖3 所示。

圖3 混凝土底板外部、 中部和底部的溫度變化趨勢(shì)

根據(jù)圖3， 我們可以看到， 底板澆筑成形后，底板外部的溫度變化最快， 最早達(dá)到最高溫度41.5℃， 然后開(kāi)始下降。 底板中部的溫度最高，可達(dá)56.9℃。 在達(dá)到峰值后， 底板各部位的溫度下降速率相近， 但外部的溫度較低。 這是因?yàn)榈装逋獠颗c空氣接觸面積大， 散熱快， 能夠迅速降溫。 而底板中部由于被厚厚的混凝土層包圍， 散熱慢， 導(dǎo)致溫度高于底部和外部。

圖4 中展示了經(jīng)典的混凝土內(nèi)部應(yīng)力隨溫度的變化曲線。 由圖4 可以看出， 底板澆筑成形后， 由于水泥與骨料的水化放熱反應(yīng)， 底板的溫度逐漸上升， 但隨著反應(yīng)的進(jìn)行， 一部分溫度會(huì)逐漸流失， 隨著反應(yīng)速率的降低， 測(cè)點(diǎn)的溫度逐漸下降。 測(cè)點(diǎn)溫度與應(yīng)力存在一定的關(guān)聯(lián)性， 將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合， 可以得到應(yīng)力隨溫度變化的數(shù)學(xué)表達(dá)方程。 經(jīng)過(guò)反復(fù)的擬合與調(diào)整， 混凝內(nèi)部應(yīng)力與溫度的關(guān)系水平方向方程可表示為：

圖4 擬合曲線

式中：a=0.4118，b=-1.7023， 常數(shù)c=141.2364。

混凝內(nèi)部應(yīng)力與溫度的關(guān)系豎直方向方程可表示為：

式中：a=0.0518，b=-0.5023， 常數(shù)c=118.2364。

由圖4 中的擬合曲線可知， 本文擬合得到的應(yīng)力與溫度的關(guān)系方程能夠較為準(zhǔn)確地表達(dá)和預(yù)測(cè)混凝土內(nèi)部應(yīng)力隨溫度的變化趨勢(shì)。

5 建模分析

5.1 建立模型

本文利用有限元軟件建立地鐵底板三維模型， 根據(jù)結(jié)構(gòu)特性對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力－溫度耦合作用下位移場(chǎng)和溫度變化分析， 三維模型如圖5 所示。 底板長(zhǎng)度為37m， 寬度為24m， 根據(jù)條形網(wǎng)格劃分原則， 將模型劃分為2650 個(gè)單元。

圖5 三維模型

為了便于分析， 假設(shè)澆筑過(guò)程中底板一次成形， 并且忽略外界溫度升降、 混凝土熱量傳遞、太陽(yáng)輻射等因素對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的影響。 將上文中根據(jù)公式擬合得到的底板溫度發(fā)展曲線輸入到模型中， 并進(jìn)行模擬計(jì)算。

5.2 數(shù)值分析驗(yàn)證

根據(jù)三維有限元模型對(duì)地鐵的底板混凝土應(yīng)力－溫度變化進(jìn)行計(jì)算， 擬合數(shù)據(jù)與測(cè)點(diǎn)4 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比， 對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 對(duì)比結(jié)果

觀察表1 的數(shù)據(jù)可以看出， 通過(guò)模型擬合得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在15%左右， 根據(jù)規(guī)范要求的設(shè)計(jì)要求， 本文提出的擬合計(jì)算模型能夠很好地應(yīng)用于工程實(shí)踐中。

圖6 中展示了澆筑完成后混凝土底板核心位置的應(yīng)力云圖。

圖6 混凝土底板核心位置的應(yīng)力云圖

根據(jù)圖6 的觀察結(jié)果， 混凝土底板澆筑完畢后， 中心區(qū)域的溫度最高， 達(dá)到了51.63℃。 而底板的上下兩部分溫度較低， 這是因?yàn)檫@些部分的混凝土與空氣有更多的熱交換， 上面的混凝土直接暴露在空氣中， 下面的混凝土與已經(jīng)澆筑好的承臺(tái)有熱傳導(dǎo)作用。 相反， 中心區(qū)域的混凝土被厚厚的土層覆蓋， 熱量難以散發(fā)， 所以溫度比邊緣區(qū)域高很多。

5.3 地鐵車站結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)分析

本文利用有限元軟件建立地鐵底板的底層、中層、 上層三維模型， 根據(jù)結(jié)構(gòu)特性對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力－溫度耦合作用下位移場(chǎng)和溫度變化分析。結(jié)構(gòu)物分為三層， 長(zhǎng)度為37m， 寬度為23m， 高度為13m。 地鐵站分為上下兩層， 根據(jù)結(jié)構(gòu)特性對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力－溫度耦合作用下位移場(chǎng)變化分析， 得到側(cè)面墻以及支撐柱三維模型的位移－應(yīng)力云圖， 并根據(jù)圖形判斷地鐵車庫(kù)的混凝土結(jié)構(gòu)位移變形規(guī)律， 發(fā)現(xiàn)構(gòu)件將發(fā)生破壞的位置。

5.4 側(cè)墻和柱變形分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)特性對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力－溫度耦合作用下位移場(chǎng)變化分析， 得到側(cè)面墻以及支撐柱三維模型的位移－應(yīng)力在不同方向上的云圖如圖7所示。 由圖7 可知， 伴隨著混凝土底板中水化反應(yīng)的進(jìn)行， 由于溫度的變化， 導(dǎo)致構(gòu)件的組成部位發(fā)生位置移動(dòng)。 位于底板側(cè)邊的墻體由于受到底板的約束作用發(fā)生的位移很小。 位于頂部的板體由于受到的約束相對(duì)更小， 隨著墻體高度的上升， 發(fā)生的側(cè)向位移逐漸變大， 在X 方向發(fā)生的最大位移為93.15mm， 出現(xiàn)在側(cè)邊墻體的頂部；在Y 方向發(fā)生的最大位移為35.32mm， 出現(xiàn)在側(cè)邊墻體的上部中心位置； 在Z 方向發(fā)生的最大位移為15.67mm， 在兩邊側(cè)邊墻體的頂部均有出現(xiàn)。 觀察圖7 中柱子的位移變化云圖可以發(fā)現(xiàn)，中間的柱在X 方向呈現(xiàn)出對(duì)稱分布的特征， 并且處于中間軸線位置的柱基本無(wú)位移發(fā)生； 位于邊緣的柱發(fā)生的位移最大， 但最大值出現(xiàn)在柱的頂部， 底部位移較小。 在Y 方向柱子的位移變化呈雙向的軸對(duì)稱分布， 結(jié)點(diǎn)處的柱出現(xiàn)最大位移。在Y 方向柱子的位移變化呈豎向?qū)ΨQ分布， 柱的中部出現(xiàn)最大位移。

圖7 位移－應(yīng)力在不同方向上的云圖

側(cè)墻的混凝土完成澆筑后核心層的溫度最高可達(dá)45.25℃， 由于側(cè)面墻體的空氣接觸面積更大， 在水化熱產(chǎn)生速率相當(dāng)?shù)那疤嵯拢?側(cè)面墻體的溫度消散速度更快， 因此會(huì)出現(xiàn)位于底部的混凝土核心層溫度遠(yuǎn)高于側(cè)邊墻體核心層的現(xiàn)象。

綜合上述分析， 在地鐵站的混凝土底板完成澆筑后， 才可進(jìn)行兩側(cè)墻體的澆筑。 后進(jìn)行澆筑的混凝土?xí)驗(yàn)榕c底板部位的溫度差異， 在接觸部位產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力， 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的連接處由于溫度差異產(chǎn)生位移， 最終造成溫度裂縫。 為避免這種情況的出現(xiàn)， 對(duì)于地鐵站底板這類大體積混凝土的澆筑施工， 一般情況需要采用 “內(nèi)降外包” 的施工工藝， 減少由于結(jié)構(gòu)物內(nèi)外溫差問(wèn)題出現(xiàn)的應(yīng)力差。

圖8～圖10 中展示了地鐵站底板、 中板、 頂板在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中隨溫度變化出現(xiàn)的位移云圖。

圖8 底板溫度變化出現(xiàn)的位移云圖

圖9 中板溫度變化出現(xiàn)的位移云圖

圖10 頂板溫度變化出現(xiàn)的位移云圖

對(duì)比不同部位的位移云圖可以看出， 地鐵站底板、 中板、 頂板在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中在X 方向、 Y 方向、 Z 方向度出現(xiàn)了不同程度的位置移動(dòng)， 并且不同部位的構(gòu)件變形發(fā)展情況具有一致性。 不同的部位位置變化在X 方向上呈現(xiàn)出軸對(duì)稱的趨勢(shì)， 位移沿著X 軸的方向由中心向兩端的位移越來(lái)越大， 位移最大的發(fā)生位置出現(xiàn)在橫向邊緣處。不同的部位位置變化在Y 方向上呈現(xiàn)出橫向?qū)ΨQ的趨勢(shì)， 側(cè)邊墻體和位于中部柱的變形最大， 在溫度的作用下迫使底板的橫向變形要大于縱向變形。底板由于受到的側(cè)向約束最大， 產(chǎn)生的變形要小于中板和頂板， 隨著構(gòu)件位置的上升， 出現(xiàn)的變形越大。 由此可知， 由于溫度變化底板中變形最大的位置將出現(xiàn)在中板的最外端橫向處， 為了避免溫度變化引起的應(yīng)力裂縫， 應(yīng)當(dāng)針對(duì)此部位做好溫度消散措施， 確保結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

本文針對(duì)大體積混凝土在溫度作用下的應(yīng)力和位移變化特征進(jìn)行了研究， 以天津市欣嘉園東站基坑工程為例， 通過(guò)在地鐵站底板中設(shè)置傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)， 并采用有限元軟件對(duì)所建模型進(jìn)行了擬合分析， 得到研究結(jié)果如下：

（1） 混凝土底板澆筑完畢后， 從頂部到底部的溫度變化規(guī)律大致一致， 即開(kāi)始時(shí)底板內(nèi)部溫度迅速升高， 隨后逐步降低。

（2） 地鐵站的混凝土底板受溫度影響， 必須在澆筑完成后才能進(jìn)行兩側(cè)墻體的澆筑。 否則，后澆筑的混凝土與底板之間的溫差會(huì)在接觸面產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力， 造成結(jié)構(gòu)物連接處因溫差而位移， 進(jìn)而引發(fā)溫度裂縫。

（3） 由于溫度變化， 底板中變形最大的地方在中板橫向的最外端， 為了防止溫度變化導(dǎo)致的應(yīng)力裂縫， 應(yīng)該對(duì)這個(gè)部位采取溫度散發(fā)措施，保證結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性。