李冰成

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東深圳　518052)

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深圳地鐵8號(hào)線高架車站結(jié)構(gòu)溫控防裂研究

李冰成

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東深圳518052)

摘要:以深圳市地鐵8號(hào)線高架車站工程為例，論述了溫度應(yīng)力形成的三個(gè)階段及類型，分析了溫度裂縫產(chǎn)生的原因，通過對(duì)高架車站結(jié)構(gòu)在溫度荷載下的有限元分析，從設(shè)計(jì)與施工兩方面，提出了高架車站結(jié)構(gòu)的溫控防裂措施，為類似問題的研究提供了參考。

關(guān)鍵詞:高架車站，大懸臂墩柱結(jié)構(gòu)，溫度應(yīng)力

1　工程概況

深圳市地鐵8號(hào)線起點(diǎn)位于鹽田區(qū)鹽田站，終點(diǎn)位于葵涌站，全程32．33 km，其中高架約19 km，地下段約2．6 km，全程預(yù)設(shè)站點(diǎn)12個(gè)，其中高架站11座，大多數(shù)為高架三層側(cè)式“建—橋合一”結(jié)構(gòu)。

標(biāo)準(zhǔn)高架側(cè)式車站［1］位于路中，其結(jié)構(gòu)采用獨(dú)柱墩二層蓋梁框架結(jié)構(gòu)體系，車站長(zhǎng)126 m，根據(jù)功能劃分，車站結(jié)構(gòu)主要由首層(架空層)、2層(站廳層)、3層(站臺(tái)夾層)及頂層(站臺(tái)層)組成。除頂層采用鋼結(jié)構(gòu)外，首層、2層(站廳層)、3層(站臺(tái)層)均采用C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)高架側(cè)式車站結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。對(duì)稱雙懸臂上蓋梁承受站臺(tái)層樓面，軌道梁，站臺(tái)梁及車站鋼雨棚荷載，懸臂長(zhǎng)度約10 m。下蓋梁主要承受站廳層樓面荷載及外立面裝修荷載，懸臂長(zhǎng)度約10 m。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)高架側(cè)式車站結(jié)構(gòu)斷面圖

2　溫度應(yīng)力與溫度裂縫

2．1溫度應(yīng)力的產(chǎn)生

高架車站結(jié)構(gòu)中溫度應(yīng)力的形成過程主要可以分成三個(gè)階段:

1)從澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束的早期階段。

2)從水泥放熱基本結(jié)束至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)的中期階段。

3)混凝土完全冷卻以后的運(yùn)營(yíng)過程中的晚期階段。

根據(jù)高架車站溫度應(yīng)力引起的原因，可以將溫度應(yīng)力分為兩類:

1)由于高架車站結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的自生應(yīng)力。

2)在高架車站結(jié)構(gòu)部分邊界受到外界的約束而引起的約束應(yīng)力。

2．2溫度裂縫的形成

造成高架車站結(jié)構(gòu)溫度變形的溫差有三種:1)季節(jié)溫差; 2)內(nèi)外溫差;3)日照溫差。在配有鋼筋的高架車站混凝土梁板構(gòu)件中，鋼筋和混凝土具有幾乎相同的溫度膨脹系數(shù)，但在混凝土收縮時(shí)，兩者變形不協(xié)調(diào)，從而在鋼筋中產(chǎn)生附加壓力，在混凝土中產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，混凝土抗拉承載力較低，從而導(dǎo)致混凝土表面開裂。

3　車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3．1加大端柱的計(jì)算長(zhǎng)度

通過有限元分析得出了溫升工況下不同墩柱的順橋向彎矩的溫度內(nèi)力。從圖2中可以看出，距離車站中心越遠(yuǎn)的墩柱順橋向彎矩越大。這是因?yàn)楦呒苘囌窘Y(jié)構(gòu)的溫度發(fā)生變化時(shí)，車站整體會(huì)發(fā)生順橋向的溫度變形，距離車站中心越遠(yuǎn)，端柱的順橋向撓曲也越大，從而順橋向彎矩也越大，因此車站結(jié)構(gòu)端柱受溫度荷載影響最大。當(dāng)加大端柱的計(jì)算長(zhǎng)度時(shí)，端柱的順橋向撓曲曲率就相應(yīng)減少，從而順橋向彎矩也變小。對(duì)端柱計(jì)算長(zhǎng)度不同的車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度上升20℃下的有限元計(jì)算，得出了不同的端柱順橋向彎矩，如圖3所示，可以看出加大端柱的計(jì)算長(zhǎng)度能降低溫度應(yīng)力對(duì)墩柱的影響。

圖2　溫升工況下各墩柱的順橋向彎矩

圖3　不同邊柱長(zhǎng)度時(shí)順橋向彎矩

3．2設(shè)伸縮縫改變框架長(zhǎng)度

《混規(guī)》規(guī)定露天現(xiàn)澆式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的伸縮縫的最大間距為35 m。在高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合有限元分析結(jié)果如圖4所示，在車站中部設(shè)置一處伸縮縫，將車站分成63 m長(zhǎng)的兩聯(lián)結(jié)構(gòu)，相對(duì)于縱向不設(shè)縫的結(jié)構(gòu)，車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件受溫度荷載影響大大降低。但是高架車站伸縮縫的設(shè)置造成結(jié)構(gòu)配筋困難、影響高架車站的建筑功能要求和防水需要、使車站在高階振型時(shí)會(huì)有相對(duì)震動(dòng)與相對(duì)位移。如果建筑等相關(guān)專業(yè)為車站結(jié)構(gòu)布置創(chuàng)造條件，在長(zhǎng)度超過120 m的高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)置120 mm的伸縮縫可以避免碰撞并降低墩柱溫度應(yīng)力［2］。

圖4　不同超靜定聯(lián)長(zhǎng)時(shí)端柱的內(nèi)力

3．3墩柱尺寸

車站墩柱尺寸的大小不僅僅關(guān)系到工程量的大小，也影響到車站整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配是否合理，加大墩柱的截面面積能夠有效提高墩柱本身的承載能力和結(jié)構(gòu)剛度，但同時(shí)因?yàn)槎罩鶆偠鹊脑黾樱瑥亩鴮?dǎo)致墩柱中溫度次內(nèi)力的增加。對(duì)墩柱截面尺寸不同的結(jié)構(gòu)對(duì)比分析得出，通過減小墩柱的縱橋向尺寸可有效降低墩柱溫度應(yīng)力的作用，而墩柱橫向尺寸對(duì)溫度應(yīng)力影響較小?？紤]到墩頂位移控制以及蓋梁的內(nèi)力不受溫度影響，蓋梁的斷面尺寸決定了墩柱的構(gòu)造尺寸，即墩柱的尺寸不能過小。

3．4墩柱預(yù)偏心設(shè)置

通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，溫度效應(yīng)中的整體降溫和混凝土的收縮效應(yīng)疊加的效果對(duì)車站兩端部的墩柱設(shè)計(jì)效應(yīng)最為顯著，降溫和混凝土收縮的綜合效應(yīng)都是使墩柱向車站中心彎曲。為了減小該彎矩對(duì)車站結(jié)構(gòu)端柱的不利影響，設(shè)計(jì)中考慮將端柱向車站外側(cè)設(shè)置預(yù)偏心，且預(yù)偏心的設(shè)置不能過大，因?yàn)檐囌驹谡w升溫工況作用下，車站墩柱是向外側(cè)彎曲的，因此偏心的設(shè)置必需要找到一個(gè)平衡點(diǎn)，該平衡點(diǎn)的設(shè)置原則是使車站基礎(chǔ)順橋向基頂彎矩在兩個(gè)方向數(shù)值大致相等。通過計(jì)算比較，當(dāng)端柱長(zhǎng)度為9．5 m時(shí)，墩柱向外側(cè)設(shè)置5 cm的預(yù)偏心較合適。整體降溫下邊墩墩底縱向彎矩見圖5。

圖5　整體降溫下邊墩墩底縱向彎矩

4　車站結(jié)構(gòu)施工

為了降低溫度荷載對(duì)高架車站結(jié)構(gòu)的影響，控制溫度裂縫，在高架車站結(jié)構(gòu)施工時(shí)，采用設(shè)置后澆帶以及控制混凝土質(zhì)量等措施。

4．1設(shè)置后澆帶

多次超靜定的高架車站結(jié)構(gòu)，聯(lián)長(zhǎng)太長(zhǎng)，混凝土收縮、徐變也會(huì)和溫度荷載一起對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。沿高架車車站縱向每50 m設(shè)置一道后澆帶，待主體結(jié)構(gòu)完成后50 d左右，采用微膨脹混凝土澆筑后澆帶，一部分收縮、徐變就會(huì)在結(jié)構(gòu)合龍以前發(fā)生，從而減小收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，降低混凝土收縮、徐變和溫度荷載的疊加作用。但是后澆帶只能解決混凝土結(jié)硬時(shí)的收縮應(yīng)力問題，并不能解決溫度應(yīng)力問題。

4．2控制混凝土質(zhì)量

控制混凝土質(zhì)量方面采取以下措施:

1)通過使用高效減水劑或者選用粉煤灰作為摻合料;

2)選用級(jí)配良好骨料，優(yōu)化混凝土的配合比，嚴(yán)格控制混凝土拌合物的泌水率、坍落度、粘聚性等性能;

3)使用聚丙烯纖維，增強(qiáng)混凝土抗裂強(qiáng)度［3］。

4．3控制混凝土施工過程

混凝土的施工過程采取以下措施:

1)控制混凝土的出機(jī)溫度，夏季時(shí)為防止太陽直射，可以在攪拌站的砂、石堆場(chǎng)設(shè)置遮陽棚。

2)控制混凝土澆筑溫度，施工現(xiàn)場(chǎng)由專人測(cè)量混凝土的出車溫度，在混凝土輸送管上噴灑冷水，或用草袋遮擋陽光［3］。

5　結(jié)語

為了降低溫度效應(yīng)，本文對(duì)高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出幾點(diǎn)建議:

1)適當(dāng)加大端柱的計(jì)算長(zhǎng)度;

2)設(shè)置120 mm的伸縮縫;

3)減小墩柱的縱橋向尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)選擇合理的墩柱截面大小。文中還提出了高架車站施工時(shí)的一些建議。

參考文獻(xiàn):

［1］楊開屏．雙層獨(dú)柱式高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］．都市快軌交通，2009(10):50-51．

［2］趙進(jìn)．城市軌道交通高架車站變形縫設(shè)置的探討［J］．現(xiàn)代城市軌道交通，2014(2):7-9．

［3］羅巧玲．大體積混凝土梁施工中的溫度監(jiān)測(cè)與裂縫控制［J］．廣東建材，2005(7):28-29．

Study on temperature and crack controlling of elevated station structure of Shenzhen Rail Transit Line 8

Li Bingcheng
(Railway 3rd Survey＆Design Institute Group Co．，Ltd，Shenzhen 518052，China)

Abstract:The paper takes the elevated station structure of Shenzhen Rail Transit Line 8 as the example，indicates the reasons for the temperature stress and cracks in the three phases and types，and points out the temperature control crack-resistance measures of the elevated station from the design and construction according to the finite element analysis of the structure under the temperature load，so as to provide some reference for similar problems．

Key words:elevated station，large cantilever pier structure，temperature stress

作者簡(jiǎn)介:李冰成(1989-)，男，助理工程師

收稿日期:2015-10-22

文章編號(hào):1009-6825(2016)01-0062-03

中圖分類號(hào):U231．4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A