1、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出发点,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、设计创新的一种探索。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: The design features of subway project as the starting point, by
2、creating a design framework of subway project, construct an initial design framework for the calculation of subway station structure, pointed out that the establishment of the framework is to present an analysis of the subway engineering design examples and summary, also is a kind of exploration to
3、the Metro standard structure design, design speed and the design quality improvement, design innovation. In this paper, according to the structure and degradation mechanism, put forward to improve the design of the durability of subway structure from three aspects of material selection, construction
4、 measures and construction measures, the hope can cause the attention of designers. Key words: subway structure; durability; factors; design method 中图分类号:U231+.1 文献标识码：A 文章编号： 引言 建筑结构在建造和使用过程中, 会受到有害化学物质的侵蚀, 并且要承受地震、疲劳、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
5、求高, 主体结构工程设计使用年限为 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与有害气体、地下水、岩土介质紧密接触, 加之各种突发性灾害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重。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使用寿命, 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, 而且维修、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，传统的经验方法有很大的改进：首先是按照材料的劣化机理确定不同的环境类
6、别，在每一类别下再按温、湿度及其变化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。其次是对不同设计使用年限的结构构件，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）结构的设计使用年限、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）混凝土裂缝控制要求； （5）防水、排水等构造措施； （6）恶劣环境作用下合理采取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与保护层厚度的施工质量验收要求；（8）结构使用阶段的维护、修理与检测要求。 2 地铁结构耐久性的影响因素分析 地铁混凝土
7、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复杂性和不确定性。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）与土体(水)直接接触, 应力状况复杂多变。 （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。 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
8、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。 2.1 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 C l- 、SO42 - 、M g2 + 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 等气体也容易侵入, 因而化学腐蚀破坏尤为严重。许多地下工
9、程的混凝土、钢筋混凝土严重碳化,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维修加固。 2.2 荷载及受力状态变化引起的破坏 由于工程施工情况不同和水土环境的变化, 地铁结构承受的荷载会相应地发生改变, 结构物各部分的应力状态随之变化, 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化。混凝土结构的耐久性与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
10、及结构的应力、应变和耐久性能。 3 提高地铁结构耐久性的具体措施 地铁地下工程结构所受到的侵蚀较为复杂, 要提高地铁墙体结构的耐久性能, 应从设计、施工、使用管理等方面综合考虑, 针对各种影响耐久性的因素采取相应的措施。 （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、钢筋的保护等的方案。 （2）在施工阶段, 应严格按照设计、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, 可以采用提高混凝土密实度、改进级配、将水胶
11、比降低到 0. 35 以下、水泥用量减少到 130 kg /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。钢筋的衬砌保护层一定要有足够的厚度。研究表明, 提高混凝土的密实度, 加大混凝土钢筋保护层的厚度, 能有效阻止外部 C l- 离子渗透到钢筋表面, 避免钢筋锈蚀, 从而大幅度地提高钢筋混凝土的耐久性。如果混凝土发生了开裂, 或者混凝土中本身含有较多的 C l- 离子, 采用这种方法来抑制钢筋锈蚀的效果就很不理想。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 层钝化膜所包裹, 而
12、且致密性很好, 能阻止 C l- 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, 应采取针对性的工艺、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：控制结构裂缝。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
13、、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，宜使用非碱活性骨料，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，采用高性能混凝土也是提高结构耐久性的一种重要途径。即采用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
14、包括： （1）地铁的结构形式、布置应尽量保持构件截面均匀,避免截面突变出现尖角、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,宜按照“细而密”的原则配置，控制混凝土的收缩裂缝。 （3）结构构件应按其使用环境设计其相应的混凝土保护层厚度。 （4）结构设计应控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件受局部损坏后的整体耐久能力。 （6）混凝土结构构件的形状和构造应有效地避免水、汽和有害物质在混凝土表面的积聚，地铁结构应进行有效的防水层设计。 （7）地铁设计中应考虑针对防迷流的设计内容，杂散电流防护一般按照“以堵为主，以排为辅，堵排结合，加强监测”的原则设计。 5 结语 百年大计，质量为本。设计人员应该在思想上重视混凝土结构的耐久性设计,与施工、管理人员共同努力, 建造出合乎耐久性要求的高质量的工程。
