芻議地鐵結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的因素

/芻議地鐵結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的因素芻議地鐵結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的因素摘要：以地鐵工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)為動(dòng)身點(diǎn),通過構(gòu)思地鐵工程設(shè)計(jì)庫(kù)框架的創(chuàng)建,初步梳理出地鐵車站結(jié)構(gòu)計(jì)算的設(shè)計(jì)框架,指出該框架的建立是對(duì)目前國(guó)內(nèi)地鐵工程設(shè)計(jì)實(shí)例的一種梳理和總結(jié),也是對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)圖設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)速度的加快和設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高、設(shè)計(jì)創(chuàng)新的一種探究。本文結(jié)合地鐵結(jié)構(gòu)和劣化機(jī)理，從材料選擇、構(gòu)造措施和施工措施三個(gè)方面提出了改善地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望能引起設(shè)計(jì)人員的重視。關(guān)鍵詞:地鐵結(jié)構(gòu);耐久性;因素;設(shè)計(jì)方法Abstract:Thedesignfeaturesofsubwayprojectasthestartingpoint,bycreatingadesignframeworkofsubwayproject,constructaninitialdesignframeworkforthecalculationofsubwaystationstructure,pointedoutthattheestablishmentoftheframeworkistopresentananalysisofthesubwayengineeringdesignexamplesandsummary,alsoisakindofexplorationtotheMetrostandardstructuredesign,designspeedandthedesignqualityimprovement,designinnovation.Inthispaper,accordingtothestructureanddegradationmechanism,putforwardtoimprovethedesignofthedurabilityofsubwaystructurefromthreeaspectsofmaterialselection,constructionmeasuresandconstructionmeasures,thehopecancausetheattentionofdesigners.Keywords:subwaystructure;durability;factors;designmethod中圖分類號(hào):U231+.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：引言建筑結(jié)構(gòu)在建立和運(yùn)用過程中,會(huì)受到有害化學(xué)物質(zhì)的侵蝕,并且要承受地震、乏累、超載等外來作用,同時(shí)結(jié)構(gòu)所用材料自身的性能也會(huì)不斷退化,從而使結(jié)構(gòu)各部分產(chǎn)生不同程度的損傷和劣化。地鐵工程屬于城市公共交通軌道工程,投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、質(zhì)量要求高,主體結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)運(yùn)用年限為100年,其結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。由于地鐵的地下工程結(jié)構(gòu)和有害氣體、地下水、巖土介質(zhì)緊密接觸,加之各種突發(fā)性災(zāi)難等不確定性因素的影響,由此引發(fā)的各類耐久性問題越來越嚴(yán)峻。例如構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的變形過大、銹蝕、裂損、漏水、差異沉降、坍塌等各種破壞現(xiàn)象頻繁發(fā)生,縮短了工程結(jié)構(gòu)物的運(yùn)用壽命,并因?yàn)榉敌薅馁M(fèi)了大量的資金。尤其是近年來長(zhǎng)大隧道和城市地鐵工程建設(shè)的增多,初始資金投入巨大,而且修理、改建都比較困難,因而對(duì)耐久性提出了更高的要求。1混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法和內(nèi)容近年來，傳統(tǒng)的閱歷方法有很大的改進(jìn)：首先是依據(jù)材料的劣化機(jī)理確定不同的環(huán)境類別，在每一類別下再按溫、濕度及其變更等不同環(huán)境條件區(qū)分環(huán)境作用等級(jí)，從而更詳細(xì)地描述環(huán)境作用。其次是對(duì)不同設(shè)計(jì)運(yùn)用年限的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，有不同的耐久性要求?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)主要包括下列內(nèi)容：（1）結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)運(yùn)用年限、環(huán)境類別及其作用等級(jí)；（2）有利于減輕環(huán)境作用的結(jié)構(gòu)形式、布置和構(gòu)造；（3）混凝土結(jié)構(gòu)材料的耐久性質(zhì)量要求；（4）混凝土裂縫限制要求；（5）防水、排水等構(gòu)造措施；（6）惡劣環(huán)境作用下合理實(shí)行防腐蝕附加措施或多重防護(hù)策略；（7）耐久性所需的施工養(yǎng)護(hù)制度和愛惜層厚度的施工質(zhì)量驗(yàn)收要求；（8）結(jié)構(gòu)運(yùn)用階段的維護(hù)、修理和檢測(cè)要求。2地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素分析地鐵混凝土結(jié)構(gòu)埋置于地下巖土體中(同時(shí)可能伴有地下水),因而其耐久性的影響因素相對(duì)于地面結(jié)構(gòu)更具困難性和不確定性。在分析地鐵工程結(jié)構(gòu)物的耐久性時(shí),應(yīng)考慮到以下幾個(gè)方面的影響:（1）和土體(水)干脆接觸,應(yīng)力狀況困難多變。（2）巖土介質(zhì)具有不均質(zhì)性、非線性、流變性等特點(diǎn)。（3）處于地下,給觀測(cè)、模擬、試驗(yàn)等工作帶來較大難度。（4）外界荷載的不確定性等。詳細(xì)來講,地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素主要包括以下方面:（1）環(huán)境因素,包括溫濕度、CO2、特殊離子環(huán)境、地下水、雜散電流等。（2）材料因素,包括水灰比、水泥品種、堿骨料等。（3）結(jié)構(gòu)力學(xué)因素,包括應(yīng)力狀態(tài)及水平、裂縫程度、巖土流變、水體滲流壓力、不勻整沉降、外荷變更、結(jié)構(gòu)尺寸和構(gòu)造等。（4）施工因素,涉及混凝土澆注及振搗、支護(hù)形式、超挖欠挖、施工質(zhì)量管理等。2.1化學(xué)作用引起的腐蝕破壞化學(xué)作用引起的破壞包括碳化作用及Cl-、SO42-、Mg2+離子等的侵蝕破壞。化學(xué)腐蝕對(duì)鋼筋的破壞作用很明顯,由此造成的損失也是巨大的。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局1975年的調(diào)查表明,美國(guó)全年各種腐蝕造成的損失為700億美元,其中混凝土中鋼筋腐蝕造成的損失占40%。對(duì)于地鐵隧道結(jié)構(gòu),由于隧道內(nèi)存在地下水及土壤中的各種離子,大氣中的CO2和O2等氣體也簡(jiǎn)潔侵入,因而化學(xué)腐蝕破壞尤為嚴(yán)峻。許多地下工程的混凝土、鋼筋混凝土嚴(yán)峻碳化,出現(xiàn)了大面積裂縫和鋼筋銹蝕等早期破損現(xiàn)象,不得不耗費(fèi)大量的資金進(jìn)行修理加固。2.2荷載及受力狀態(tài)變更引起的破壞由于工程施工狀況不同和水土環(huán)境的變更,地鐵結(jié)構(gòu)承受的荷載會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變更,結(jié)構(gòu)物各部分的應(yīng)力狀態(tài)隨之變更,從而導(dǎo)致拉、壓區(qū)及受彎區(qū)、剪應(yīng)力區(qū)的狀態(tài)和范圍都會(huì)有所變更?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性和混凝土材料的孔隙率(或滲透性)關(guān)系密切,而受力狀態(tài)則能影響材料的滲透性。在拉應(yīng)力區(qū),材料的孔隙率大,滲透性也將明顯提高,混凝土易于碳化,氯化物等侵蝕性物質(zhì)也易通過受拉區(qū)的混凝土到達(dá)鋼筋,從而引起鋼筋銹蝕。另外,地下水運(yùn)動(dòng)及滲流耦合效應(yīng)也將影響到土體及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和耐久性能。3提高地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的詳細(xì)措施地鐵地下工程結(jié)構(gòu)所受到的侵蝕較為困難,要提高地鐵墻體結(jié)構(gòu)的耐久性能,應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)用管理等方面綜合考慮,針對(duì)各種影響耐久性的因素實(shí)行相應(yīng)的措施。（1）從設(shè)計(jì)起先就應(yīng)當(dāng)引入耐久性的概念,通過分析計(jì)算或試驗(yàn)的方法,確定消退不穩(wěn)定荷載或不勻整沉降對(duì)土體的影響、加強(qiáng)對(duì)混凝土、鋼筋的愛惜等的方案。（2）在施工階段,應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計(jì)、規(guī)范對(duì)耐久性的要求進(jìn)行施工?；炷恋臐B透性影響著水和侵蝕性離子在混凝土中的傳輸速率,提高混凝土的抗?jié)B性是改善其耐久性的關(guān)鍵。而提高混凝土的抗?jié)B性,可以接受提高混凝土密實(shí)度、改進(jìn)級(jí)配、將水膠比降低到0.35以下、水泥用量削減到130kg/m3以下、摻入活性礦物摻合料等方法,其中摻入活性礦物摻合料最為有效。鋼筋的襯砌愛惜層確定要有足夠的厚度。探討表明,提高混凝土的密實(shí)度,加大混凝土鋼筋愛惜層的厚度,能有效阻擋外部Cl-離子滲透到鋼筋表面,避開鋼筋銹蝕,從而大幅度地提高鋼筋混凝土的耐久性。假如混凝土發(fā)生了開裂,或者混凝土中本身含有較多的Cl-離子,接受這種方法來抑制鋼筋銹蝕的效果就很不志向。此時(shí),最簡(jiǎn)便有效的方法是摻入鋼筋阻銹劑。鋼筋阻銹劑能促使鋼筋表面的氧化物鈍化膜趨于穩(wěn)定,彌補(bǔ)了鋼筋表面的缺陷,使整個(gè)鋼筋被1層鈍化膜所包袱,而且致密性很好,能阻擋Cl-離子穿透,降低Fe3+離子的游離速度,從而起到抑制鋼筋銹蝕的作用。再如在含水地基中澆注混凝土?xí)r,在靠土體側(cè)的混凝土可能會(huì)混入了水土從而形成層狀巖土樣塊體,影響混凝土的質(zhì)量,應(yīng)實(shí)行針對(duì)性的工藝、措施予以改進(jìn)。4地鐵結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)要點(diǎn)從前面的分析可以看出，結(jié)構(gòu)的耐久性是一項(xiàng)綜合性能，雖然結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境條件下的破壞過程各不相同，但是對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)來說，提高耐久性的措施有一個(gè)共同之處：限制結(jié)構(gòu)裂縫。其主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)大致可從材料選擇、構(gòu)造措施和施工措施三個(gè)方面考慮。4.1材料選擇地鐵車站大體積澆筑的混凝土應(yīng)減小水化熱產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，地下車站頂、底板、側(cè)墻混凝土應(yīng)具有較好的自防水性能。因此，地鐵結(jié)構(gòu)中的水泥材料應(yīng)選擇堿含量小，水化熱低，干縮性小，耐熱性、抗水性、抗腐蝕性、抗凍性等性能良好的水泥。混凝土集料的選擇應(yīng)考慮其堿活性，宜運(yùn)用非堿活性骨料，防止“堿骨料反應(yīng)”造成的危害。還應(yīng)選擇合理的級(jí)配，改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的密實(shí)度。在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于地質(zhì)條件的差異，土體環(huán)境中各種侵蝕性物質(zhì)的存在在所難免，接受高性能混凝土也是提高結(jié)構(gòu)耐久性的一種重要途徑。即接受高性能的優(yōu)質(zhì)水泥﹑級(jí)配良好的優(yōu)質(zhì)骨料﹑優(yōu)質(zhì)參和料和高效減水劑，并利用高效減水率盡量降低混凝土的水膠比。4.2構(gòu)造措施結(jié)合地鐵結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)，改善結(jié)構(gòu)耐久性的構(gòu)造措施主要包括：（1）地鐵的結(jié)構(gòu)形式、布置應(yīng)盡量保持構(gòu)件截面勻整,避開截面突變出現(xiàn)尖角、棱角，從而減小混凝土收縮應(yīng)力和荷載應(yīng)力的集中。（2）考慮到地鐵結(jié)構(gòu)多為長(zhǎng)寬比較大的長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)配筋應(yīng)加強(qiáng)縱向分布鋼筋,宜依據(jù)“細(xì)而密”的原則配置，限制混凝土的收縮裂縫。（3）結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)按其運(yùn)用環(huán)境設(shè)計(jì)其相應(yīng)的混凝土愛惜層厚度。（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)限制混凝土的裂縫寬度，預(yù)防外界介質(zhì)滲入內(nèi)部腐蝕鋼筋。（5）地鐵結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮構(gòu)