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地铁车站纤维混凝土结构抗渗试验及阻裂防水机理的研究

齐锋  
【摘要】: 工程实践中,地铁车站往往会产生渗漏现象。渗漏水会危及地铁的运营及设备安全,缩短混凝土结构的使用寿命。地铁车站混凝土结构抗渗防水效果的优劣直接影响总体工程的质量,成为评价地铁工程质量的一个重要指标,故如何防治地铁车站混凝土结构的渗漏具有重要的理论研究价值和工程应用价值。目前,掺加纤维已成为解决地铁车站混凝土渗漏问题的主要技术之一。工程应用时,设计部门依据试验结果,或者依靠经验来确定不同类型的纤维掺量,纤维混凝土抗渗防水机理研究不足,缺少定量设计依据,也无法评估此项技术的经济性与安全性。鉴于以上背景和问题,本文对地铁车站纤维混凝土结构的抗渗防水技术作了以下几方面的研究工作。 本文以上海地铁七号线一复合式地铁车站为对象,对其诱导缝间长为32米的标准节段进行有限元计算。通过对有限元计算结果的分析,得出以下结论:引起地铁车站混凝土结构开裂渗漏的主要荷载类型为等代温降荷载,且地铁车站混凝土的开裂属于I型开裂。基于以上结论得出复合式地铁车站混凝土渗漏的原因:混凝土结构在受到温降荷载时产生收缩变形,受到诱导缝处连接筋及侧向墙的约束而产生小偏拉应力场,当局部区域的第一主拉应力峰值达到混凝土抗拉强度时,即出现I型开裂,裂缝扩展成贯通裂缝,且裂缝宽度达到一定值时即出现地铁车站渗漏现象。 本文利用Monte-Carlo随机有限元法,采用M-R本构关系,分析了温降荷载作用下素混凝土和聚丙烯纤维混凝土板结构的开裂过程。基于随机有限元结果的统计分析,本文对聚丙烯纤维抗温阻裂机理作如下阐述:由于增加了混凝土断裂能的大小而推迟了混凝土最弱或最大拉应力处裂缝的失稳扩展,降低了局部单元发生脆断的概率,并通过补偿变形缓和了整个结构的受拉状态,从而提高了其整体抗温缩开裂的能力。本文还通过对不同端部约束条件聚丙烯纤维混凝土板的温缩微裂过程的对比,得出混凝土板并不是就一定会在温降作用下开裂渗漏,其收缩变形的约束条件也是极其重要的影响因素。 为寻求合适的纤维混凝土抗渗防水性能试验评价方法,本文分别对聚丙烯纤维和钢纤维进行了抗渗标号法试验和渗透高度法试验。通过两种常规抗渗试验发现:无论是聚丙烯纤维混凝土,还是钢纤维混凝土,所得抗渗标号和渗透高度指标都无法合理反映工程实践中的纤维对混凝土抗渗性能的改善作用,因此,常规的室内抗渗试验不适合评价纤维混凝土工程中的防水性能。鉴于此,本文提出一套开裂损伤状态纤维混凝土渗透性能测试方法,即劈拉-持载渗透试验。为配合试验思路,本文研制设计了一套持载装置和一套微裂损伤状态混凝土渗透测试仪。通过劈拉试验,本文发现聚丙烯增强作用不明显,钢纤维则具有较为明显的增强作用,二者都提高了混凝土的断裂能,并且进一步给出纤维特征物理参数与劈拉强度和断裂能间的关系式。通过持载渗透试验,得出不同开裂损伤程度试件对应的防水级别。 利用应变等效假设,本文由Moelands-Reinhardt本构方程推导出拉应变空间下纤维混凝土的损伤演化方程。基于纤维混凝土劈拉全程试验,本文进一步推导出含有抗拉强度及断裂能参数的修正的纤维混凝土损伤演化方程。利用修正后的纤维混凝土损伤演化方程,采用损伤有限元计算方法,得出不同防水级别要求下,不同类型、不同含量的纤维混凝土的极限损伤值。 为最终解决不同防水级别下,地铁车站混凝土板不同类型纤维的掺量设计问题,本文建立了混凝土板有限元模型,并提出纤维混凝土板分级防水极限温降荷载的计算方法。根据不同防水等级、不同约束条件、不同长宽比条件下聚丙烯纤维和钢纤维混凝土极限抵抗温降值的计算结果,本文给出地铁车站板纤维混凝土分级防水极限温降状态方程的具体表达式。最后以上海地铁某未建车站底板为例,利用分级防水极限温降状态方程得出两种纤维各自对应的最低掺量。


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