地铁车站诱导缝的处理方法

地铁车站诱导缝的处理方法

0车站结构诱导缝目前，国内外已建成的地铁站结构长度超过100米。为防止在施工和后期运营中因混凝土结构的温度应力和不均匀沉降等,引起车站混凝土结构无序开裂,其处理方法是在车站结构内设置诱导缝。采取构造措施,使所在截面的刚度削弱,避免车站结构裂缝无序产生与发展。在结构设计中,诱导缝按有限刚度原则控制车站结构的变形。即通过沿车站纵向设置若干个刚度较小的薄弱环节,使其纵向钢筋相对减少,当使结构因温差、混凝土干缩或不均匀沉降等原因引起应力变化时,诱导缝所在截面可先行开裂,释放混凝土体内的能量和避免混凝土结构随意出现裂缝,减少裂缝对车站结构的危害。上世纪90年代,我国提出了车站结构诱导缝的概念,上海就在一些车站内设置诱导缝,目前已在上海多座已建和在建地铁车站中应用。诱导缝的实质相当于变形缝,但因其构造和施工方法不同于变形缝,二者在性能上仍有差别。据已建且运营地铁车站的情况,诱导缝控制裂缝的效果及防水性能等均优于变形缝。它是一种特殊的变形缝。其特点是除底板诱导缝钢筋按施工缝构造连续外,中板、顶板在诱导缝处仅留部分纵向钢筋连续,其余部分则截断。研究表明,在地铁车站结构内设置了诱导缝,可有效控制其温度裂缝及由不均匀沉降所产生的无序开裂。国外研究地铁车站结构诱导缝的文献较少,仅在工程中有所介绍。本文论述了地铁车站结构诱导缝的构造和现有的理论计算方法,并强化研究它对车站结构抗震性能的影响。1双柱式诱导缝地铁车站结构的诱导缝为常以20～30m为间距,有两种类型:双柱式诱导缝和梁板式诱导缝。前者沿车站立柱的横向轴线设置,后者常置于纵梁跨距的1/3～1/4处,使得纵向弯矩相对较小。其中双柱式诱导缝在构造上双柱分开,施工繁琐;梁板式诱导缝构造简单,施工简便。1.1地铁中央海表方面的诱导缝构造图1～图4分别为底板、侧墙、顶板、中板诱导缝(梁板式)的构造剖面图。由图1可知:底板结构诱导缝构造一般为凹凸形企口,在缝中和底部设防水带,其纵向受力钢筋全部贯通,见图5。诱导缝所在底板厚度至少为95cm。除缝中设中埋式钢边止水带外,底板下表面还需设置外贴式止水带。施工先将外贴式止水带置于垫层上,绑扎诱导缝一侧的钢筋,并将中埋式止水带用铁丝固在一定位置(做成向上15°角),立刻在企口缝处支模,模板冲孔使纵向钢筋通过(或者断开钢筋直接支模,待一侧混凝土拆模后使用接驳器连接诱导缝两侧的纵向钢筋)。浇注混凝土时,应将中埋式止水带上下表面的混凝土振捣致密。由图2可知:侧墙诱导缝不用企口,内外侧纵向钢筋中使1/3钢筋贯通,其余截断,缝中设一条止水带。纵向贯通的钢筋用长约2m(两侧各1m)的套筒套住穿过诱导缝。施工先绑一侧的钢筋,并在钢筋截断处固定中埋式止水带和支模板,并将模板冲孔使部分纵向钢筋通过(或断开钢筋直接支模,待一侧混凝土拆模后使用接驳器连接诱导缝两侧的纵向钢筋)。其混凝土浇注工艺与底板相同。车站顶板、中板诱导缝的构造分别见图3、图4及图6、图7。由图3和图4可知:二者的构造和施工方法与侧墙诱导缝基本相同,区别在于顶板诱导缝中埋设的止水带须向上倾斜(仰角约15°)。由上可知:地铁车站结构诱导缝刚度的控制,主要在于适当减少诱导缝的连续纵向钢筋的数量使刚度降低。底板结构诱导缝选为企口形,目的是使底板结构不出现曲率半径过小的挠曲变形和量值较大的剪切位移;侧墙结构设计成剪力杆,既可控制裂缝宽度,又能控制其竖向剪切变形的大小。顶板结构诱导缝两侧部分钢筋连续是为了混凝土满足因四季温度变化、干缩和不均匀沉降引起顶板纵向变形的需要。中板结构诱导缝构造的设置目的及构造原理与顶板相同。另外,诱导缝的位置应和地下连续墙的分缝对齐。1.2中板诱导缝与梁板式诱导缝的构造相比较,双柱式诱导缝底板的构造梁板式诱导缝相同,其剖面见图1,底板诱导缝连续钢筋示意如图5。双柱式诱导缝侧墙、顶板、中板的构造与梁板式诱导缝均有差异,其特征剖面如图8～图10。由图8可知:双柱式侧墙诱导缝也不用企口,但内外侧纵向钢筋在诱导缝处全部截断开,另在中间位置设ϕ40mm@500mm剪力钢筋,缝一侧的剪力钢筋固定浇筑在混凝土中,另一侧用长约0.6m的钢管套筒套住伸入混凝土中,且套筒内填满牛油。缝中设置一道止水带。施工时先绑一侧的钢筋,并在钢筋截断处固定中埋式止水带和支模,并将模板冲孔能使剪力钢筋通过。其混凝土浇注工艺同梁板式诱导缝的底板。双柱式车站顶板诱导缝的构造特点是顶板的上下排纵向钢筋在诱导缝处全部截断,并在上下排钢筋之间另设剪力筋(图9)。常用ϕ22mm@300mm规格的剪力筋,在诱导缝两侧剪力钢筋的长度为2.2～2.5m,且缝两侧距缝1.0m内的钢筋用长约1.0m的塑料套筒套住,内填满牛油并用胶布两端封口。缝中设一道向上倾斜15°的止水带。混凝土浇注同侧墙。中板诱导缝构造如图10。由图10可知:它与顶板诱导缝相比较,主要区别是不再设止水带。这类诱导缝上下排钢筋中之间常用ϕ16mm@300mm的剪力钢筋,缝两侧的剪力钢筋长度仍约2.2m,且缝两侧距缝1m内的钢筋也用长约1m的塑料套筒套住,其内填满牛油,两端用胶布封口。其混凝土浇注工艺与侧墙基本相同。双柱式诱导缝柱子的构造如图11。由图11可知:柱子沿轴线一分为二,成为诱导缝两侧并立的两柱。每柱都按原设计要求配筋,其间联系仅有位于顶纵梁、中纵梁部位的剪力钢筋,及在顶板部位设置的止水带。其施工过程与侧墙、顶板、中板都有联系。施工时先施作与诱导缝一侧的侧墙、顶板、中板相联系的立柱,待诱导缝一侧结构施工且有一定强度后,再施工诱导缝另一侧的立柱和其它车站结构。立柱的施工工艺则与框架柱基本相同。2地铁车站结构诱导缝的确定诱导缝在地铁车站结构中已被广为采用,但对其计算理论的研究却较少。葛世平(2000)对可能引起地铁车站结构开裂破坏的各种不利因素进行研究分析,得出其主要不利因素是温度应力和不均匀沉降。通过对含有诱导缝的地铁车站结构进行三维数值模拟计算分析,并在材料为线弹性的假定下,建立了诱导缝的水平位移量u(图12)和诱导缝之间车站结构因温度引起拉应力σ的计算式,同时对诱导缝的构造措施、施工工艺、开裂堵漏技术进行了论述。该方法填补了国内地铁车站结构诱导缝计算理论研究的空白,其适用性较广,然而未对诱导缝接缝界面的承载力(剪力、弯矩)进行研究,车站结构诱导缝处截面的内力较未设置诱导缝之前的内力如何,需进一步分析研究。诱导缝的水平位移和其间车站结构水平拉应力的计算式为u=2αΤ(1-θL2)βchβL2-θshβL2shβL2(1)u=2αT(1−θL2)βchβL2−θshβL2shβL2(1)σ=EcαΤ[1-(1-θL2)βchβxβchβL2-θshβL2σ=EcαT[1−(1−θL2)βchβxβchβL2−θshβL2·ξ(2)β=√CxEhβ=CxEh−−−√,θ=2EsAsEcA0L(3)式中As为诱导缝处钢筋截面积;A0为缝间板的换算截面积;α为混凝土结构热胀系数;L为结构段的长度;T为综合温差;Ec,Es分别为混凝土及钢筋的弹性模量;Cx为水平阻力系数;h为混凝土板厚度;ξ为徐变系数。刘国彬等通过可能引起地铁车站结构开裂破坏的各种因素进行分析,指出温度是主要不利因素,并应用线弹性力学的假定,建立了诱导缝的水平位移w(图13)的计算式w′w=1+fLcEcAc+1ζδ(1+w′sw)EsAsls/EcA0Lc(4)式中w′为混凝土板在温度变化为ΔT时的自由伸长;f为土体与混凝土之间的摩擦系数;Lc为混凝土板的长度;Ec,Ac分别为混凝土的弹性模量及混凝土板的界面面积;ζ为混凝土板与剪力墙和梁柱等相互作用的修正系数;δ为诱导缝处钢筋有效长度修正系数;w′s为诱导缝配筋在温度变化为ΔT时的自由伸长;ls为诱导缝钢筋的有效长度;A0为混凝土板的几何横截面面积。该法以线弹性理论为基础,将车站结构简化为一板进行分析研究其接缝的张开位移量,未考虑车站结构各构件之间的相互效应,因此该法仅可作为车站结构诱导缝的水平张开位移量的一个参考。庞贵磊对软土地区异形(非长条形)地铁车站诱导缝的设置进行研究,其中对各种可能引起混凝土结构开裂的因素及防治措施进行分析,根据工程实际情况得出诱导缝对于控制地铁车站结构的开裂及防水效果良好,提出诱导缝的设置原则,并对含有诱导缝的地铁车站进行数值计算分析,结果表明车站诱导缝处的内力明显小于不设诱导缝时的内力。国内学者在地铁车站结构诱导缝的位移张开与闭合量估计方面研究较多,而对于诱导缝处余留钢筋的传力效应,诱导缝接缝面的承载能力,诱导缝两侧混凝土构件的横竖向滑移效应方面的研究较少,有的尚未提及。因此,开展车站结构诱导缝接缝界面的承载能力、接缝两侧的钢筋传力效应机理等方面的研究有重要的意义。3地铁车站结构诱导缝从上世纪90年代开始,上海采用诱导缝这一构造措施,控制地铁车站结构的无序开裂,其它城市也相继效仿,效果良好,但都未检验其对车站结构抗震性能的影响。国内外对地铁车站结构的抗震研究主要针对车站结构,对诱导缝地震响应的研究极少。事实上,地铁车站结构可发生严重震害,而诱导缝作为车站结构的一个薄弱环节,在地震作用下有可能首先发生破坏,进而导致整个车站结构发生破坏。因此,有必要对地铁车站结构诱导缝开展建立抗震分析理论和试验研究。诱导缝既削弱了地铁车站结构的连续性,又增加了结构的柔性。与地面结构抗震缝的作用功能类似,地震作用下结构产生的附加内力,可通过诱导缝的张开与滑动予以释放,对结构抗震有利,但抗震缝的抗震能力有限,且地下结构抗震影响因素较多,如土层参数、震级大小、结构形式等。针对不同的影响因素,设诱导缝的地铁车站在地震作用下的横向变形和不均匀沉降程度如何,在多大程度上能发挥其抗震防灾减灾作用,即在地震时车站结构是否安全可靠,这都需要进一步加强研究。4地铁车站结构诱导缝地下混凝土结构