基于耐久性的地铁结构设计的探讨

2016-03-16陆婷婷

环球市场 2016年5期

关键词：耐久性结构设计钢筋

陆婷婷

身份证号：320202198604030521

基于耐久性的地铁结构设计的探讨

陆婷婷

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本文从地铁结构耐久性的影响因素出发，分析了影响其耐久性的原因，对耐久性的地铁结构设计要点及加强地铁结构耐久性的措施进行了深入探讨。

地铁工程；耐久性；结构设计

前言

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，主体结构工程设计使用寿命长，因此基于耐久性的地铁结构设计至关重要。

1 地铁结构耐久性的影响因素

分析基于耐久性的地铁结构设计，应考虑到以下因素：与土体（水）直接接触，应力状况复杂多变。岩土介质具有不均质性、非线性、流变性等特点。处于地下，给观测、模拟、试验等工作带来较大难度。同时外界荷载还具有不确定性等。具体来讲，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，包括温度和湿度、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、不均匀沉降、外荷变化、结构尺寸与构造等。（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 影响地铁结构耐久性的原因

2.1 受力与荷载给地铁结构带来破坏的原因

不同地铁结构工程所处环境与施工方式的区别，会让结构所受荷载出现区别，每一部分结构物的应力状态也随之产生变化，在受弯区、拉压区、剪应力区的状态都会造成改变。地铁工程混凝土结构耐久性同混凝土材料的渗透性有密切关系，受力情况则是材料渗透性的直接影响因素，处于拉应力位置的材料孔隙大，其渗透性会更加明显，混凝土也就容易发生碳化，氯化物等有害介质渗透其中，会对钢筋造成锈蚀影响。再者，地下水如果发生耦合渗流效应，也会直接关系到土体结构的质量，间接造成结构耐久性的损失。

2.2 化学作用力给地铁结构带来的破坏

化学作用力所带来的破坏有碳化腐蚀，氯离子、硫酸根离子、镁离子的腐蚀等。化学作用力对于钢筋的破坏非常严重，所造成的损失亦极为庞大。据美国标准局的调研，美国每年因为腐蚀所造成的工程损失为数百亿美元，其中钢筋腐蚀约占总数的40%。结构本身存在一定有害离子直接威胁着地铁结构的安全与耐久性，如：碱骨料反应；地铁周边岩土环境中存在的有害离子，在长期作用下侵蚀混凝土、锈蚀钢筋；而地铁内部环境里面的氧气与二氧化碳气体也容易侵入到结构中去，产生另一方面的化学腐蚀，由此带来很多钢筋混凝土碳化严重的问题。以上情况导致混凝土出现裂缝、钢筋大面积锈蚀，必须依靠大范围的维修才能保证工程安全。

2.3 差异沉降也是给地铁结构带来破坏的原因

不同地铁结构工程所处地质环境特点有较显著差别，土体的固结特质与流变程度区别也很大，当地铁完成建设以后，一部分地段土体依然保留程度不同的流变变形与固结下降特点，而其附近位置的流变变形与固结下降特点则表现得不甚明显，这就会使得不同位置的结构发生不稳定欠均匀的沉降变形，最终造成不同地段间的结构应用挤压影响，在此基础上产生裂缝。这样的现象在管道结构连接位置出现的机率最高。

3 耐久性的地铁结构设计要点

3.1 科学选择材料

地铁结构设计施工应该尽量减少混凝土水化热所造成的温度应力，在地下车站顶、侧墙、底板等位置的混凝土需要具备良好的自防水能力。所以，水泥的选择过程中，需要注意优选那些水化热水平低、含碱量小、干缩性弱、抗腐蚀性优越的材料。选择混凝土集料的时候，要考虑到碱活性因素，应当避免碱骨料不良反应造成的危害，选择合理级配，提高混凝土密实程度。

3.2 构造方法

（1）地铁在布置结构时尽量保证构件截面均匀，防止截面出现突变式尖角，防止混凝土的荷载应力和收缩应力过度集中。（2）因为地铁结构以长条型宽大式为多，所以在进行配筋时需要增强纵向分布钢筋，依据细而密的基本原则进行配置，防止混凝土发生收缩裂缝。（3）混凝土结构构件在形状的选择上应该避免水、汽等有害物质的侵入。（4）防迷流设计内容必不可少，防护杂散电流通常要仿照堵为主、排为辅的原则进行设计。

3.3 计算要点

（1）根据环境类别、设计使用年限、构件形式合理选择混凝土强度等级、最大水胶比、保护层厚度、计算裂缝宽度等。（2）构件尺寸选择合理；力学基本假定合理；计算模型、计算工况符合实际；合理选择控制内力。

4 加强地铁结构耐久性的措施

4.1 从设计开始就应当引入耐久性的概念

通过分析计算或试验的方法，确定消除不稳定荷载或不均匀沉降对土体的影响、加强对混凝土、钢筋的保护等。

4.2 加强对混凝土的保护

混凝土里面如果存在大量孔隙，则会给介质的渗入提供便利条件。若想使耐久性得到提高，需要从改变自身抗渗性能、抗裂性能，改变介质隔离工作效果上着手，现代在技术允许的范围内可以应用一些新型混凝土，如：性能标准高的混凝土，用高性能掺和料与凝胶材料代替传统水泥，这样制作出来的混凝土强度高、收缩性低、抗渗特征明显；钢纤维形式混凝土，把钢纤维加到混凝土里面，可以提高混凝土抗拉、抗弯、抗断裂功能，让原本柔脆的混凝土塑性更好；具备梯度功能的混凝土，其中包含一般混凝土的防护层、过渡区水泥材料等，可以让混凝土抗裂与抗渗性能更优越。除了应用新型混凝土材料以外，还可以把侵蚀物质同混凝土进行隔离，比如可以将混凝土的外部涂上保护膜，以起到提高混凝土抗渗能力与表面憎水功能的作用。就目前来讲，混凝土保护膜大致可以分成两类，第一类是环氧沥青型，包括改性沥青、环氧聚胺酯等，其具有坚实耐磨、适应轻微裂缝、耐腐蚀、粘结性好的优点；第二类是渗透结晶型，这种类型的保护膜是无机材料，可以将其在混凝土表面压平、收水并抹光，使之可以渗入到混凝土的每一处微小裂缝中，让混凝土完成表面致密性改造，当混凝土终凝之前就可以形成外部保护层，避免水分发生蒸发，让混凝土上的毛细通路阻断，为碳化过程减速。

4.3 防止钢筋发生锈蚀

除了对混凝土加以保护间接防止钢筋发生锈蚀之外，还可以在环境恶劣的环境中直接给钢筋以保护性处理。除了一般的使钢筋材质发生变化的办法如加用不锈钢筋与耐腐蚀钢筋以外，还可以应用下列办法，即：施加钢筋去锈剂；给以铁钢筋阴极保护；电化学碱化；电化学去氯；钢筋涂层；钢筋镀层等。