地铁车站混凝土结构温度的现场试验研究

曹鑫宝

（中铁十八局集团第五工程有限公司， 天津 300450）

1 引言

随着交通拥堵问题日趋严重， 地铁逐渐成为城市通勤的主要交通工具。 地铁车站的修建常常伴随大体积混凝构件的浇筑， 但大体积混凝土因为内外温度差差异， 在表面常出现拉应力裂缝，导致结构稳定性的降低［1］。

国内外已有许多学者开展了关于大体积混凝土抗裂的研究， 文献［2］中提出了预测大体积混凝土核心层温度的计算模型， 并将预测结果与传热数值工具结合， 用于验证预测结果。

文献［3］研究了水化温度与诱发底板应力的关联， 通过比较高度、 水泥类型等参数对混凝土热量的影响， 验证了水化温度与底板应力的关联性。 文献［4］讨论了国内外针对大体积混凝土温度裂缝的控制方法， 提出了改进建议。 文献［5~6］研究了混凝土底板的施工要点， 并提出了养护策略和控制温度措施。

本文以天津市欣嘉园东站基坑为研究背景，通过在地铁站底板中预埋传感器， 实时监测大体积混凝土的温度、 应力和位移变化情况， 并采用有限元软件对实测数据进行模拟分析， 研究结构特性对温度影响下的应力－位移耦合效应和温度分布的影响规律。

2 工程概况

欣嘉园东站是B1 线第一座车站。 车站位于西中环快速路与欣嘉园南路交口东南象限， 现状空地内， 沿欣嘉园南路南侧呈东西向布置。 车站中心里程顶板覆土厚度0.96m， 起点里程顶板覆土厚度1.26m， 终点里程顶板覆土厚度0.59m。车站主体总长度左线406.63m， 右线336.7m， 标准段宽22.4m， 盾构井段宽为27.74m。 主体建筑高度为13.24m， 盾构井处为14.68m。 地下一层为站厅层， 地下二层为站台层， 本站设置2 个出入口A、 D （B、 C 为预留口）， 车站布置2 组风亭组共计8 个风亭直接顶出、 均为低矮有盖风亭。 车站主体及附属围护结构采用地下连续墙的围护形式， 墙厚0.8m， 标准段基坑深13.10m，墙长28.10m； 盾构井段基坑深13.87m， 墙长28.73m。 采用锁口管接头方式。 本站主体及附属结构均采用明挖顺做法施工。

3 现场检测方法

为了观测建设过程中结构底板在浇筑后的温度变化及应力变化情况， 在浇筑前的底板模板中布置不同的温度监控点和应变监控点。 一共设置15 个监测点位， 分为三排放置， 其中底板底面布置1 号～6 号监测点， 底板中心处布置7 号～9 号监测点与， 底板外侧面布置10 号～15 号监测点。每个监测点位垂直布置两个传感器。 测点布置详细位置图见图1。 应变传感器采用XH-114 弦式半埋入应变传感器， 用于监测浇筑后底板不同部位应变的数据变化。 温度传感器采用XHs-D18智能温控传感器， 用于监测浇筑后底板不同部位温度的数据变化。 在底板浇筑完成4 天后开始采集数据， 应变数据每0.5 天读取一次， 温度数据每1 天记录一次。

图1 测点布置详细位置

4 结果分析

地铁车站底板浇筑后， 底板可分为上部、 中部、 底部三层， 每层的测点温度随浇筑时间的变化曲线如图2 所示。

观察图2 可以看出， 在混凝土完成浇筑后，地铁底板的温度从上部到底部的变化趋势基本相同， 即开始的时候底板内部的温度急速上升， 然后逐渐下降。 但不同的部位表现出的趋势仍然有较大的差别。 底板底部的温度在第三天时达到51.2℃的最高温度， 位于底面的测点4 处的温度最高， 其次是位于中部的测点5， 位于外侧面的测点6 温度最低， 因为这些测点处于底部， 底板内部的热量只能向上消散， 靠近外侧的测点温度消散更快速。 底板中部的温度在第二天时达到58.5℃的最高温度， 位于底板底部的测点9 处的温度最高， 其次是位于中部的测点8， 位于外侧面的测点7 温度最低， 测点9 只与外界有一面接触热量消散相对更慢。 底板上部的温度在第一天时达到41.4℃的最高温度， 位于底部的测点10处的温度最高， 其次是位于中部的测点11， 位于外侧面的测点12 温度最低。

混凝土底板外部、 中部和底部的温度随养护时间的变化趋势曲线如图3 所示。

图3 混凝土底板外部、 中部和底部的温度变化趋势

根据图3， 我们可以看到， 底板浇筑成形后，底板外部的温度变化最快， 最早达到最高温度41.5℃， 然后开始下降。 底板中部的温度最高，可达56.9℃。 在达到峰值后， 底板各部位的温度下降速率相近， 但外部的温度较低。 这是因为底板外部与空气接触面积大， 散热快， 能够迅速降温。 而底板中部由于被厚厚的混凝土层包围， 散热慢， 导致温度高于底部和外部。

图4 中展示了经典的混凝土内部应力随温度的变化曲线。 由图4 可以看出， 底板浇筑成形后， 由于水泥与骨料的水化放热反应， 底板的温度逐渐上升， 但随着反应的进行， 一部分温度会逐渐流失， 随着反应速率的降低， 测点的温度逐渐下降。 测点温度与应力存在一定的关联性， 将采集的数据进行拟合， 可以得到应力随温度变化的数学表达方程。 经过反复的拟合与调整， 混凝内部应力与温度的关系水平方向方程可表示为：

图4 拟合曲线

式中：a=0.4118，b=-1.7023， 常数c=141.2364。

混凝内部应力与温度的关系竖直方向方程可表示为：

式中：a=0.0518，b=-0.5023， 常数c=118.2364。

由图4 中的拟合曲线可知， 本文拟合得到的应力与温度的关系方程能够较为准确地表达和预测混凝土内部应力随温度的变化趋势。

5 建模分析

5.1 建立模型

本文利用有限元软件建立地铁底板三维模型， 根据结构特性对模型进行应力－温度耦合作用下位移场和温度变化分析， 三维模型如图5 所示。 底板长度为37m， 宽度为24m， 根据条形网格划分原则， 将模型划分为2650 个单元。

图5 三维模型

为了便于分析， 假设浇筑过程中底板一次成形， 并且忽略外界温度升降、 混凝土热量传递、太阳辐射等因素对模型计算结果的影响。 将上文中根据公式拟合得到的底板温度发展曲线输入到模型中， 并进行模拟计算。

5.2 数值分析验证

根据三维有限元模型对地铁的底板混凝土应力－温度变化进行计算， 拟合数据与测点4 的实测数据进行对比， 对比结果见表1。

表1 对比结果

观察表1 的数据可以看出， 通过模型拟合得到的应力数据与实测点的数据相对误差在15%左右， 根据规范要求的设计要求， 本文提出的拟合计算模型能够很好地应用于工程实践中。

图6 中展示了浇筑完成后混凝土底板核心位置的应力云图。

图6 混凝土底板核心位置的应力云图

根据图6 的观察结果， 混凝土底板浇筑完毕后， 中心区域的温度最高， 达到了51.63℃。 而底板的上下两部分温度较低， 这是因为这些部分的混凝土与空气有更多的热交换， 上面的混凝土直接暴露在空气中， 下面的混凝土与已经浇筑好的承台有热传导作用。 相反， 中心区域的混凝土被厚厚的土层覆盖， 热量难以散发， 所以温度比边缘区域高很多。

5.3 地铁车站结构温度效应分析

本文利用有限元软件建立地铁底板的底层、中层、 上层三维模型， 根据结构特性对模型进行应力－温度耦合作用下位移场和温度变化分析。结构物分为三层， 长度为37m， 宽度为23m， 高度为13m。 地铁站分为上下两层， 根据结构特性对模型进行应力－温度耦合作用下位移场变化分析， 得到侧面墙以及支撑柱三维模型的位移－应力云图， 并根据图形判断地铁车库的混凝土结构位移变形规律， 发现构件将发生破坏的位置。

5.4 侧墙和柱变形分析

根据结构特性对模型进行应力－温度耦合作用下位移场变化分析， 得到侧面墙以及支撑柱三维模型的位移－应力在不同方向上的云图如图7所示。 由图7 可知， 伴随着混凝土底板中水化反应的进行， 由于温度的变化， 导致构件的组成部位发生位置移动。 位于底板侧边的墙体由于受到底板的约束作用发生的位移很小。 位于顶部的板体由于受到的约束相对更小， 随着墙体高度的上升， 发生的侧向位移逐渐变大， 在X 方向发生的最大位移为93.15mm， 出现在侧边墙体的顶部；在Y 方向发生的最大位移为35.32mm， 出现在侧边墙体的上部中心位置； 在Z 方向发生的最大位移为15.67mm， 在两边侧边墙体的顶部均有出现。 观察图7 中柱子的位移变化云图可以发现，中间的柱在X 方向呈现出对称分布的特征， 并且处于中间轴线位置的柱基本无位移发生； 位于边缘的柱发生的位移最大， 但最大值出现在柱的顶部， 底部位移较小。 在Y 方向柱子的位移变化呈双向的轴对称分布， 结点处的柱出现最大位移。在Y 方向柱子的位移变化呈竖向对称分布， 柱的中部出现最大位移。

图7 位移－应力在不同方向上的云图

侧墙的混凝土完成浇筑后核心层的温度最高可达45.25℃， 由于侧面墙体的空气接触面积更大， 在水化热产生速率相当的前提下， 侧面墙体的温度消散速度更快， 因此会出现位于底部的混凝土核心层温度远高于侧边墙体核心层的现象。

综合上述分析， 在地铁站的混凝土底板完成浇筑后， 才可进行两侧墙体的浇筑。 后进行浇筑的混凝土会因为与底板部位的温度差异， 在接触部位产生较大的内应力， 导致结构物的连接处由于温度差异产生位移， 最终造成温度裂缝。 为避免这种情况的出现， 对于地铁站底板这类大体积混凝土的浇筑施工， 一般情况需要采用 “内降外包” 的施工工艺， 减少由于结构物内外温差问题出现的应力差。

图8～图10 中展示了地铁站底板、 中板、 顶板在养护过程中随温度变化出现的位移云图。

图8 底板温度变化出现的位移云图

图9 中板温度变化出现的位移云图

图10 顶板温度变化出现的位移云图

对比不同部位的位移云图可以看出， 地铁站底板、 中板、 顶板在养护过程中在X 方向、 Y 方向、 Z 方向度出现了不同程度的位置移动， 并且不同部位的构件变形发展情况具有一致性。 不同的部位位置变化在X 方向上呈现出轴对称的趋势， 位移沿着X 轴的方向由中心向两端的位移越来越大， 位移最大的发生位置出现在横向边缘处。不同的部位位置变化在Y 方向上呈现出横向对称的趋势， 侧边墙体和位于中部柱的变形最大， 在温度的作用下迫使底板的横向变形要大于纵向变形。底板由于受到的侧向约束最大， 产生的变形要小于中板和顶板， 随着构件位置的上升， 出现的变形越大。 由此可知， 由于温度变化底板中变形最大的位置将出现在中板的最外端横向处， 为了避免温度变化引起的应力裂缝， 应当针对此部位做好温度消散措施， 确保结构的整体性和稳定性。

6 结论

本文针对大体积混凝土在温度作用下的应力和位移变化特征进行了研究， 以天津市欣嘉园东站基坑工程为例， 通过在地铁站底板中设置传感器实时监测数据， 并采用有限元软件对所建模型进行了拟合分析， 得到研究结果如下：

（1） 混凝土底板浇筑完毕后， 从顶部到底部的温度变化规律大致一致， 即开始时底板内部温度迅速升高， 随后逐步降低。

（2） 地铁站的混凝土底板受温度影响， 必须在浇筑完成后才能进行两侧墙体的浇筑。 否则，后浇筑的混凝土与底板之间的温差会在接触面产生较大的内应力， 造成结构物连接处因温差而位移， 进而引发温度裂缝。

（3） 由于温度变化， 底板中变形最大的地方在中板横向的最外端， 为了防止温度变化导致的应力裂缝， 应该对这个部位采取温度散发措施，保证结构的完整性和稳定性。