【博士】地鐵車站纖維混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B試驗(yàn)及阻裂防水機(jī)理的研究【2007】

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　　學(xué)科專業(yè)：結(jié)構(gòu)工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：上海交通大學(xué)　　學(xué)位年度： 2007年　　工程實(shí)踐中，地鐵車站往往會(huì)產(chǎn)生滲漏現(xiàn)象。滲漏水會(huì)危及地鐵的運(yùn)營(yíng)及設(shè)備安全，縮短混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B防水效果的優(yōu)劣直接影響總體工程的質(zhì)量，成為評(píng)價(jià)地鐵工程質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，故如何防治地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)的滲漏具有重要的理論研究?jī)r(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。目前，摻加纖維已成為解決地鐵車站混凝土滲漏問(wèn)題的主要技術(shù)之一。工程應(yīng)用時(shí)，設(shè)計(jì)部門依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，或者依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定不同類型的纖維摻量，纖維混凝土抗?jié)B防水機(jī)理研究不足，缺少定量設(shè)計(jì)依據(jù)，也無(wú)法評(píng)估此項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性與安全性。鑒于以上背景和問(wèn)題，本文對(duì)地鐵車站纖維混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B防水技術(shù)作了以下幾方面的研究工作。　　本文以上海地鐵七號(hào)線一復(fù)合式地鐵車站為對(duì)象，對(duì)其誘導(dǎo)縫間長(zhǎng)為32米的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段進(jìn)行有限元計(jì)算。通過(guò)對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論：引起地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)開裂滲漏的主要荷載類型為等代溫降荷載，且地鐵車站混凝土的開裂屬于I型開裂。基于以上結(jié)論得出復(fù)合式地鐵車站混凝土滲漏的原因：混凝土結(jié)構(gòu)在受到濕降荷載時(shí)產(chǎn)生收縮變形，受到誘導(dǎo)縫處連接筋及側(cè)向墻的約束而產(chǎn)生小偏拉應(yīng)力場(chǎng)，當(dāng)局部區(qū)域的第一主拉應(yīng)力峰值達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，即出現(xiàn)I型開裂，裂縫擴(kuò)展成貫通裂縫，且裂縫寬度達(dá)到一定值時(shí)即出現(xiàn)地鐵車站滲漏現(xiàn)象?！　”疚睦肕onte—Carlo隨機(jī)有限元法，采用M-R本構(gòu)關(guān)系，分析了溫降荷載作用下素混凝土和聚丙烯纖維混凝土板結(jié)構(gòu)的開裂過(guò)程?；陔S機(jī)有限元結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，本文對(duì)聚丙烯纖維抗溫阻裂機(jī)理作如下闡述：由于增加了混凝土斷裂能的大小而推遲了混凝土最弱或最大拉應(yīng)力處裂縫的失穩(wěn)擴(kuò)展，降低了局部單元發(fā)生脆斷的概率，并通過(guò)補(bǔ)償變形緩和了整個(gè)結(jié)構(gòu)的受拉狀態(tài)，從而提高了其整體抗溫縮開裂的能力。本文還通過(guò)對(duì)不同端部約束條件聚丙烯纖維混凝土板的溫縮微裂過(guò)程的對(duì)比，得出混凝土板并不是就一定會(huì)在溫降作用下開裂滲漏，其收縮變形的約束條件也是極其重要的影響因素?！　閷で蠛线m的纖維混凝土抗?jié)B防水性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，本文分別對(duì)聚丙烯纖維和鋼纖維進(jìn)行了抗?jié)B標(biāo)號(hào)法試驗(yàn)和滲透高度法試驗(yàn)。通過(guò)兩種常規(guī)抗?jié)B試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：無(wú)論是聚丙烯纖維混凝土，還是鋼纖維混凝土，所得抗?jié)B標(biāo)號(hào)和滲透高度指標(biāo)都無(wú)法合理反映工程實(shí)踐中的纖維對(duì)混凝土抗?jié)B性能的改善作用，因此，常規(guī)的室內(nèi)抗?jié)B試驗(yàn)不適合評(píng)價(jià)纖維混凝土工程中的防水性能。鑒于此，本文提出一套開裂損傷狀態(tài)纖維混凝土滲透性能測(cè)試方法，即劈拉．持載滲透試驗(yàn)。為配合試驗(yàn)思路，本文研制設(shè)計(jì)了一套持載裝置和一套微裂損傷狀態(tài)混凝土滲透測(cè)試儀。通過(guò)劈拉試驗(yàn)，本文發(fā)現(xiàn)聚丙烯增強(qiáng)作用不明顯，鋼纖維則具有較為明顯的增強(qiáng)作用，二者都提高了混凝土的斷裂能，并且進(jìn)一步給出纖維特征物理參數(shù)與劈拉強(qiáng)度和斷裂能間的關(guān)系式。通過(guò)持載滲透試驗(yàn)，得出不同開裂損傷程度試件對(duì)應(yīng)的防水級(jí)別?！　±脩?yīng)變等效假設(shè)，本文由Moelands．Reinhardt本構(gòu)方程推導(dǎo)出拉應(yīng)變空間下纖維混凝土的損傷演化方程。基于纖維混凝土劈拉全程試驗(yàn)，本文進(jìn)一步推導(dǎo)出含有抗拉強(qiáng)度及斷裂能參數(shù)的修正的纖維混凝土損傷演化方程。利用修正后的纖維混凝土損傷演化方程，采用損傷有限元計(jì)算方法，得出不同防水級(jí)別要求下，不同類型、不同含量的纖維混凝土的極限損傷值?！　樽罱K解決不同防水級(jí)別下，地鐵車站混凝土板不同類型纖維的摻量設(shè)計(jì)問(wèn)題，本文建立了混凝土板有限元模型，并提出纖維混凝土板分級(jí)防水極限溫降荷載的計(jì)算方法。根據(jù)不同防水等級(jí)、不同約束條件、不同長(zhǎng)寬比條件下聚丙烯纖維和鋼纖維混凝土極限抵抗溫降值的計(jì)算結(jié)果，本文給出地鐵車站板纖維混凝土分級(jí)防水極限溫降狀態(tài)方程的具體表達(dá)式。最后以上海地鐵某未建車站底板為例，利用分級(jí)防水極限溫降狀態(tài)方程得出兩種纖維各自對(duì)應(yīng)的最低摻量?！　?

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