刍议地铁结构耐久性设计的因素

/刍议地铁结构耐久性设计的因素刍议地铁结构耐久性设计的因素摘要：以地铁工程设计特点为动身点,通过构思地铁工程设计库框架的创建,初步梳理出地铁车站结构计算的设计框架,指出该框架的建立是对目前国内地铁工程设计实例的一种梳理和总结,也是对地铁结构标准图设计、设计速度的加快和设计质量的提高、设计创新的一种探究。本文结合地铁结构和劣化机理，从材料选择、构造措施和施工措施三个方面提出了改善地铁结构耐久性的设计要点，希望能引起设计人员的重视。关键词:地铁结构;耐久性;因素;设计方法Abstract:Thedesignfeaturesofsubwayprojectasthestartingpoint,bycreatingadesignframeworkofsubwayproject,constructaninitialdesignframeworkforthecalculationofsubwaystationstructure,pointedoutthattheestablishmentoftheframeworkistopresentananalysisofthesubwayengineeringdesignexamplesandsummary,alsoisakindofexplorationtotheMetrostandardstructuredesign,designspeedandthedesignqualityimprovement,designinnovation.Inthispaper,accordingtothestructureanddegradationmechanism,putforwardtoimprovethedesignofthedurabilityofsubwaystructurefromthreeaspectsofmaterialselection,constructionmeasuresandconstructionmeasures,thehopecancausetheattentionofdesigners.Keywords:subwaystructure;durability;factors;designmethod中图分类号:U231+.1文献标识码：A文章编号：引言建筑结构在建立和运用过程中,会受到有害化学物质的侵蚀,并且要承受地震、乏累、超载等外来作用,同时结构所用材料自身的性能也会不断退化,从而使结构各部分产生不同程度的损伤和劣化。地铁工程属于城市公共交通轨道工程,投资大、建设周期长、质量要求高,主体结构工程设计运用年限为100年,其结构耐久性设计至关重要。由于地铁的地下工程结构和有害气体、地下水、岩土介质紧密接触,加之各种突发性灾难等不确定性因素的影响,由此引发的各类耐久性问题越来越严峻。例如构件或结构的变形过大、锈蚀、裂损、漏水、差异沉降、坍塌等各种破坏现象频繁发生,缩短了工程结构物的运用寿命,并因为返修而耗费了大量的资金。尤其是近年来长大隧道和城市地铁工程建设的增多,初始资金投入巨大,而且修理、改建都比较困难,因而对耐久性提出了更高的要求。1混凝土结构耐久性设计方法和内容近年来，传统的阅历方法有很大的改进：首先是依据材料的劣化机理确定不同的环境类别，在每一类别下再按温、湿度及其变更等不同环境条件区分环境作用等级，从而更详细地描述环境作用。其次是对不同设计运用年限的结构构件，有不同的耐久性要求。混凝土结构的耐久性设计主要包括下列内容：（1）结构的设计运用年限、环境类别及其作用等级；（2）有利于减轻环境作用的结构形式、布置和构造；（3）混凝土结构材料的耐久性质量要求；（4）混凝土裂缝限制要求；（5）防水、排水等构造措施；（6）恶劣环境作用下合理实行防腐蚀附加措施或多重防护策略；（7）耐久性所需的施工养护制度和爱惜层厚度的施工质量验收要求；（8）结构运用阶段的维护、修理和检测要求。2地铁结构耐久性的影响因素分析地铁混凝土结构埋置于地下岩土体中(同时可能伴有地下水),因而其耐久性的影响因素相对于地面结构更具困难性和不确定性。在分析地铁工程结构物的耐久性时,应考虑到以下几个方面的影响:（1）和土体(水)干脆接触,应力状况困难多变。（2）岩土介质具有不均质性、非线性、流变性等特点。（3）处于地下,给观测、模拟、试验等工作带来较大难度。（4）外界荷载的不确定性等。详细来讲,地铁结构耐久性的影响因素主要包括以下方面:（1）环境因素,包括温湿度、CO2、特殊离子环境、地下水、杂散电流等。（2）材料因素,包括水灰比、水泥品种、碱骨料等。（3）结构力学因素,包括应力状态及水平、裂缝程度、岩土流变、水体渗流压力、不匀整沉降、外荷变更、结构尺寸和构造等。（4）施工因素,涉及混凝土浇注及振捣、支护形式、超挖欠挖、施工质量管理等。2.1化学作用引起的腐蚀破坏化学作用引起的破坏包括碳化作用及Cl-、SO42-、Mg2+离子等的侵蚀破坏。化学腐蚀对钢筋的破坏作用很明显,由此造成的损失也是巨大的。美国标准局1975年的调查表明,美国全年各种腐蚀造成的损失为700亿美元,其中混凝土中钢筋腐蚀造成的损失占40%。对于地铁隧道结构,由于隧道内存在地下水及土壤中的各种离子,大气中的CO2和O2等气体也简洁侵入,因而化学腐蚀破坏尤为严峻。许多地下工程的混凝土、钢筋混凝土严峻碳化,出现了大面积裂缝和钢筋锈蚀等早期破损现象,不得不耗费大量的资金进行修理加固。2.2荷载及受力状态变更引起的破坏由于工程施工状况不同和水土环境的变更,地铁结构承受的荷载会相应地发生变更,结构物各部分的应力状态随之变更,从而导致拉、压区及受弯区、剪应力区的状态和范围都会有所变更。混凝土结构的耐久性和混凝土材料的孔隙率(或渗透性)关系密切,而受力状态则能影响材料的渗透性。在拉应力区,材料的孔隙率大,渗透性也将明显提高,混凝土易于碳化,氯化物等侵蚀性物质也易通过受拉区的混凝土到达钢筋,从而引起钢筋锈蚀。另外,地下水运动及渗流耦合效应也将影响到土体及结构的应力、应变和耐久性能。3提高地铁结构耐久性的详细措施地铁地下工程结构所受到的侵蚀较为困难,要提高地铁墙体结构的耐久性能,应从设计、施工、运用管理等方面综合考虑,针对各种影响耐久性的因素实行相应的措施。（1）从设计起先就应当引入耐久性的概念,通过分析计算或试验的方法,确定消退不稳定荷载或不匀整沉降对土体的影响、加强对混凝土、钢筋的爱惜等的方案。（2）在施工阶段,应严格依据设计、规范对耐久性的要求进行施工。混凝土的渗透性影响着水和侵蚀性离子在混凝土中的传输速率,提高混凝土的抗渗性是改善其耐久性的关键。而提高混凝土的抗渗性,可以接受提高混凝土密实度、改进级配、将水胶比降低到0.35以下、水泥用量削减到130kg/m3以下、掺入活性矿物掺合料等方法,其中掺入活性矿物掺合料最为有效。钢筋的衬砌爱惜层确定要有足够的厚度。探讨表明,提高混凝土的密实度,加大混凝土钢筋爱惜层的厚度,能有效阻挡外部Cl-离子渗透到钢筋表面,避开钢筋锈蚀,从而大幅度地提高钢筋混凝土的耐久性。假如混凝土发生了开裂,或者混凝土中本身含有较多的Cl-离子,接受这种方法来抑制钢筋锈蚀的效果就很不志向。此时,最简便有效的方法是掺入钢筋阻锈剂。钢筋阻锈剂能促使钢筋表面的氧化物钝化膜趋于稳定,弥补了钢筋表面的缺陷,使整个钢筋被1层钝化膜所包袱,而且致密性很好,能阻挡Cl-离子穿透,降低Fe3+离子的游离速度,从而起到抑制钢筋锈蚀的作用。再如在含水地基中浇注混凝土时,在靠土体侧的混凝土可能会混入了水土从而形成层状岩土样块体,影响混凝土的质量,应实行针对性的工艺、措施予以改进。4地铁结构耐久性设计要点从前面的分析可以看出，结构的耐久性是一项综合性能，虽然结构在不同环境条件下的破坏过程各不相同，但是对地铁结构来说，提高耐久性的措施有一个共同之处：限制结构裂缝。其主要设计要点大致可从材料选择、构造措施和施工措施三个方面考虑。4.1材料选择地铁车站大体积浇筑的混凝土应减小水化热产生的温度应力，地下车站顶、底板、侧墙混凝土应具有较好的自防水性能。因此，地铁结构中的水泥材料应选择碱含量小，水化热低，干缩性小，耐热性、抗水性、抗腐蚀性、抗冻性等性能良好的水泥。混凝土集料的选择应考虑其碱活性，宜运用非碱活性骨料，防止“碱骨料反应”造成的危害。还应选择合理的级配，改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的密实度。在地铁结构设计中，由于地质条件的差异，土体环境中各种侵蚀性物质的存在在所难免，接受高性能混凝土也是提高结构耐久性的一种重要途径。即接受高性能的优质水泥﹑级配良好的优质骨料﹑优质参和料和高效减水剂，并利用高效减水率尽量降低混凝土的水胶比。4.2构造措施结合地铁结构的自身特点，改善结构耐久性的构造措施主要包括：（1）地铁的结构形式、布置应尽量保持构件截面匀整,避开截面突变出现尖角、棱角，从而减小混凝土收缩应力和荷载应力的集中。（2）考虑到地铁结构多为长宽比较大的长条形结构，其结构配筋应加强纵向分布钢筋,宜依据“细而密”的原则配置，限制混凝土的收缩裂缝。（3）结构构件应按其运用环境设计其相应的混凝土爱惜层厚度。（4）结构设计应限制混凝土的裂缝宽度，预防外界介质渗入内部腐蚀钢筋。（5）地铁结构的节点构造设计也应考虑构