地鐵是一種便捷的交通運輸方式，在中國已陸續有很多城市建造了地鐵。可由于現代交通技術的不完善，很多復合式地鐵車站內襯墻開裂的狀況。

　　[摘要]影響復合式地鐵車站內襯墻開裂的原因較為復雜。本文通過對復合式地鐵車站內襯墻進行有限元分析模擬,將結果與實測相互對照,并對其內襯墻開裂的主要原因進行探討。

　　[關鍵詞]復合式地鐵車站,內襯墻,開裂

　　目前地鐵車站側墻形式主要有復合式、分離式和單墻結構3種,而后2種形式僅在個別車站試用,復合式結構地鐵車站是目前主要的結構形式。在各種荷載的綜合影響下,地鐵往往會有混凝土開裂和滲漏的現象[1~3]。滲漏水的存在,會危及地鐵的運營及設備安全,縮短混凝土結構的使用壽命。由于引起混凝土開裂的原因較為復雜,對于復合式地鐵車站的混凝土結構,造成其開裂滲漏的機理一直受到工程界的關注。

　　1 地鐵車站內襯墻裂縫分布形態

　　文獻[2]對我國復合式地鐵車站開裂實例作了總結,從中可得出其在段間內襯墻處產生開裂具有以下2個主要特點。

　　1)引起滲漏的宏觀裂縫大多集中于內襯墻與頂板及內襯墻與底板相交的部位,也有部分宏觀裂縫靠近中板與內襯墻相交的部位,且方向大都垂直于縱軸方向。

　　2)在某些特殊部位,如襯墻的支撐頭或穿墻管附近也常出現宏觀裂縫。在支撐頭處產生的裂縫一般起始于支撐頭處而向頂板或底板方向延伸。

　　2 內襯墻有限元建模及分析

　　本文采用ANSYS對內襯墻進行有限元仿真模擬分析。地鐵車站的混凝土結構屬于超長大面積結構,一般而言,這種結構的變形由兩部分組成:①混凝土材料的收縮變形;②混凝土的溫度變形。目前工程中通常的處理方法是把收縮變形變換成等效的當量溫度, 然后疊加以真實溫度得到綜合溫度。本文在對內襯墻模擬時,定義內襯墻的綜合溫降為-5℃(參考溫度為0℃),并得出其主拉應力場,進而對裂縫發生的地點及發展趨勢進行推測,最后與國內地鐵車站內襯墻實測裂縫分布形態相對照,從而對地鐵車站的開裂原因進行探討。由于本文意在尋求地鐵車站開裂的主要原因,而非得到地鐵車站真實的主拉應力場,即本文采用有限元模擬分析的目的是定性探求,而非定量分析。故此,本文采用彈性分析方法對地鐵車站內襯墻進行有限元模擬分析。

　　2.1 復合式地鐵車站建模

　　復合式地鐵車站一般是截面不變的縱長結構,且每2個誘導縫間結構形式基本相同,故本文的數值模擬對象為兩誘導縫間的復合式地鐵結構且采用拉伸式建模方法。這種方法是先生成地鐵車站截面,然后對截面劃分網格再將劃分網格的截面沿線拉伸而生成地鐵車站模型(見圖1)。

　　2.2 模擬結果及分析

　　在只考慮綜合溫度影響的工況下,ANSYS模擬內襯墻第一主應力分布如圖2~4所示。從圖3、4應力分布可知:內襯墻靠近頂板、底板,的地方應力線大致呈平行分布,越靠近頂板、底板,主拉應力越大,且應力值均超過普通混凝土的抗拉強度。由此可推斷,內襯墻在靠近頂板、底板的地方出現宏觀裂縫的機率較大,且開裂方向在段間應與縱軸線大致垂直。而這些預測與地鐵車站內襯墻裂縫分布形態相吻合。從圖4的應力分布可得,在支撐頭或穿墻管造成的孔洞附近會產生較為明顯的應力集中,且靠近頂板或底板的孔洞邊緣處的應力集中系數較孔洞其它部位大。由此不難推斷,支撐頭或穿墻管附近出現宏觀裂縫的機率也較大,且裂縫延伸方向趨向于離孔較近的頂板或底板。而對孔洞附近開裂的預測也完全與文獻[2]中的實測相吻合。這就證明本文所提復合式地鐵車站的建模、荷載定義用約束定義均正確合理。

　　3 地鐵車站開裂原因的分析探討

　　對于混凝土開裂,國內外已做了大量的研究,國內抗裂專家王鐵夢[4]提出裂縫形成的主要原因有3類:①由外荷載(如靜、動荷載)的直接應力,即按常規計算的主要應力引起的裂縫;②外荷載作用,結構次應力而引起的裂縫;③由變形變化受到約束而引起的裂縫。

　　在本文的模擬過程中,采用的荷載為溫度體荷載(-5℃),約束定義為兩端施以鋼筋(link8),對支撐頭或穿墻管造成的孔洞加以完全約束。由模擬結果與實測結果完全吻合可證明,復合式地鐵車站內襯墻開裂主要由第3類荷載,即由溫降和干縮等因素形成的綜合溫度降低而引起的溫度體荷載引起。

　　具體分析,對于內襯墻靠近頂板或底板的混凝土,當其要求產生收縮變形時,受到頂板或底板的約束而得不到滿足,故此產生較大的拉應力,當拉應力超過混凝土抗拉強度時,便產生宏觀裂縫,從而引起滲漏。對于支撐頭或穿墻管孔洞處的混凝土,當其要求發生收縮變形時,受到支撐頭或穿墻管的固定約束,從而產生拉應力,且伴有明顯的應力集中,應力集中系數較大的地方會先產生開裂而引起滲漏。

　　從上述分析不難得出,復合式地鐵車站內襯墻的裂縫起因是結構首先要求變形,當變形得不到滿足時才引起應力,而且應力還與結構的剛度有關,只有當應力超過一定數值才會引起開裂。裂縫出現后,變形得到滿足或部分滿足,同時開裂處結構剛度下降,應力就發生松弛。所以,即使材料強度不高,但如有良好的韌性,能夠適應收縮變形的需要,也可提高其抗裂性能。鑒于此,筆者認為在內襯墻靠近頂、底板和支撐頭等處的混凝土適當加入一些增韌材料,如鋼纖維等,也可提高混凝土的抗裂性能。但對于纖維混凝土的增韌機理,人們認識仍不透徹,故此纖維增韌抗裂在地鐵車站的有效應用還需要大量的試驗與理論研究,才能為地鐵車站抗裂防滲提供一個切實可行的方法和思路。

　　4 結語

　　1)在影響復合式地鐵車站內襯墻開裂滲漏的所有因素中,綜合溫度場的變化而引起的變形荷載是造成內襯墻開裂滲漏的最主要原因。因此,在有限元對復合式地鐵車站進行數值分析時,可將重點放在計算綜合溫降和結構所受約束方面。

　　2)針對復合式地鐵車站所受荷載的特性,即屬于變形荷載的特點,可在一些約束較強或應力集中處加入增韌材料,以提高局部抗裂韌性,從而在一定程度上有效地解決地鐵車站內襯墻開裂滲漏的問題。

　　參考文獻:

　　[1] 梁雙成.深圳地鐵某區間鋼筋混凝土管片生產中出現裂紋的分析與控制[J].混凝土,2003,(7).

　　[2] 薛紹祖.上海地鐵一號線結構防水[J].施工技術,1996,(4).

　　[3] 何克文.北京地鐵西單車站滲漏水治理技術[J].現代隧道技術,1998,(6).

　　[4] 王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.