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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 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 the Metro standard structure design, design speed and the design quality improvement, design innovation. In this paper, according to the structure and degradation mechani, put forward to improve the design of the durability of subway structure from three aspects of material selection, construction measures and construction measures, the hope can cause the attention of designers.
Key words: subway structure; durability; factors; design method
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
（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、CO
（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。
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。
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 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 the Metro standard structure design, design speed and the design quality improvement, design innovation. In this paper, according to the structure and degradation mechani, put forward to improve the design of the durability of subway structure from three aspects of material selection, construction measures and construction measures, the hope can cause the attention of designers.
Key words: subway structure; durability; factors; design method
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
源于：论文集www.udooo.com
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、CO
2、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。
2.1 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。