详情

原文传递地铁车站主体结构混凝土温度开裂机理与控制研究

论文题名：	地铁车站主体结构混凝土温度开裂机理与控制研究
关键词：	地铁车站;混凝土开裂;数值模拟;主体结构
摘要：	现如今，我国城市轨道交通建设正在高速发展，地铁车站作为城市轨道建设过程中至关重要的一环，经常面临混凝土结构开裂和渗水的问题。地铁车站主体结构混凝土受约束程度较高，在建造过程中产生的温度效应与收缩效应往往会引起较大的约束应力，从而导致车站结构开裂。对于此类开裂问题，相关研究还不够系统、深入，尤其是针对多场耦合作用下地铁车站主体结构在龄期内开裂机理的相关研究还比较少。为此，本文依托成都地铁19号线华兴街站地铁车站工程为研究背景，采用理论、试验、数值模拟和有限元软件的二次开发，对地铁车站主体结构混凝土温度开裂机理以及防治措施开展了深入研究。主要的研究工作与成果如下: 　　(1)使用数值模拟的方法并基于混凝土收缩预测模型对子程序二次开发，研究了地铁车站在龄期内的收缩过程。结果表明:在混凝土收缩效应的影响下，结构所受到的外部约束越多，混凝土的收缩变形越受限制，在结构连接部位或新老混凝土的交界处产生的约束拉应力就越大。车站底板在收缩过程中受到外部约束和内部钢筋的约束作用普遍产生拉应力，底板表层的收缩开裂风险较低;车站侧墙在底部和受约束一侧出现条状主拉应力带，最大主拉应力可达2.7MPa,因此侧墙在新老混凝土边界上的收缩开裂风险较大;车站顶板所受的外部约束较少，车站顶板的收缩应力分布均匀且较小，不足以引起开裂，但需要重点关注结构连接部位处收缩应力的影响，此位置容易出现应力集中。　　(2)使用数值模拟的方法并基于混凝土水化放热模型对子程序二次开发，研究了混凝土的放热过程，开展了半绝热温升试验优化设计，对几种多掺矿物掺合料的混凝土试块开展半绝热温升试验，试验结果表明:替代相同含量的水泥，掺入粉煤灰和石灰石粉两种矿物掺合料的混凝土降温效果最好，推荐在工程中使用。四种常见的矿物掺合料的温升性能对比如下:①总降温能力:石灰石粉＞粉煤灰＞矿渣＞偏高岭土;②前期生热速率:偏高岭土＞矿渣＞粉煤灰＞石灰石粉;③中后期降热速率:偏高岭土＞石灰石粉＞粉煤灰＞矿渣。最后经过分析得到了几种掺加矿物掺合料混凝土的复合指数式水化放热模型。　　(3)采用多场耦合作用下的数值计算方法，研究了地铁车站主体结构的损伤特征，预测了裂缝的产生和发展规律，揭示了不同环境因素对大体积混凝土开裂的影响作用。结果表明:车站底板在龄期前期(混凝土升温段)最大里表温差为23℃,该温差效应引起的混凝土自约束应力是前期产生裂缝的主要原因，裂缝率先在厚度较大的上翻梁位置处出现，为纵向裂缝;车站底板在龄期中后期(混凝土降温段)最大降温幅度为32℃,该降温效应引起的混凝土外约束应力是中后期产生裂缝的主要原因，裂缝会沿底板横向方向出现。在相同条件下，环境温度越低，底板表层出现的裂缝就越多;入模温度越低,底板表层出现的裂缝就越少;施工现场环境风速越大，底板表层出现的裂缝就越多。　　(4)采用数值计算分析方法，对地铁车站在施工全过程中的裂缝防治措施的效果开展了分析验证，阐述了地铁车站结构的抗裂有效措施和其缺陷，其中防裂效果最好的措施为使用高性能低水化热混凝土、控制骨料级配、埋设冷却管。最后分析表明:需要结合工程实际情况，在施工设计、结构养护、结构成型三个阶段综合运用多种防治措施，实现多措施间的优势互补，才能最大效益的减少地铁车站混凝土裂缝的产生。
作者：	徐嘉祥
专业：	土木水利
导师：	武科;杨涛
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2023