魯國昌

(北京市建筑設(shè)計研究院有限公司 北京 100045)

1 工程概況

銀川火車站工程是在既有西站房正常運行前提下的改擴建工程，其主要包括新建東站房、站臺雨棚及進站天橋三部分組成。圖1為新建站房正面效果圖。新建東站房位于線路東側(cè)，通過天橋與既有西站房連通，站房長約240m，寬約72m，地下1層，地上4層。地下室主要為出站通道、消防水泵房及消防水池，層高8.6m；首層主要為進站廣場、候車廳、售票廳、出站廳及旅客服務(wù)設(shè)施等，層高9m，局部設(shè)置機房夾層，主要布置空調(diào)機房，層高4.2m；二層為候車層，主要布置候車廳及旅客服務(wù)設(shè)施等，層高6m；三層為站務(wù)辦公層，主要為站務(wù)辦公室及信息機房，層高4.5m；四層為空調(diào)機房層，層高6.5m；屋面由混凝土殼、玻璃屋面及鋼結(jié)構(gòu)輕屋面組成，女兒墻檐口標高為26.15m，最高點標高為38.33m。

圖1 建筑正立面效果圖

新站房建筑外形獨特，因而相應(yīng)結(jié)構(gòu)體系較為復雜，主要由鋼筋混凝土框架、抗震墻、混凝土厚殼、拱形支撐及大跨鋼結(jié)構(gòu)屋蓋構(gòu)成的鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)，圖2為站房的結(jié)構(gòu)模型。站房地上雖有4層，但站務(wù)辦公層和空調(diào)機房層范圍很小，長約40m，寬約26m，類似局部夾層。尺度較大的為首層頂板(即候車廳樓面)和站房屋面，首層頂板長為243m，寬為64.1m，采用現(xiàn)澆混凝土樓面；站房屋面長260.7m，寬為64.1m，主要由突出的混凝土殼體、鋼結(jié)構(gòu)輕屋面及局部混凝土屋面組成。圖3為新站房的縱剖面(剖切位置約在站房寬度方向的中心)，因站房兩側(cè)對稱，圖中僅反映一半的結(jié)構(gòu)布置。由于火車站作為公共空間，通常不允許設(shè)置變形縫，因此超長是該項目的一個突出特點。

圖2 銀川站新站房結(jié)構(gòu)布置示意圖

圖3 銀川站新站房縱剖面圖

該項目長度遠遠超出《混凝土規(guī)范》[1]的規(guī)定，需對溫度作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行分析。首先要解決的是確定溫度內(nèi)力分析時的溫差，由于該項目屋面為混合結(jié)構(gòu)，應(yīng)分別針對鋼與混凝土兩種材料的不同特性確定不同的計算溫差。而且，項目在施工階段和使用階段結(jié)構(gòu)所處環(huán)境不同，也應(yīng)分別考慮。

2 確定結(jié)構(gòu)的計算溫差

2.1 環(huán)境溫度條件

在確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫差取值時，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處的環(huán)境溫度應(yīng)有合理估計，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處的環(huán)境條件，據(jù)此確定其環(huán)境溫度取值。結(jié)構(gòu)分別經(jīng)歷施工階段、試用階段，這兩個階段結(jié)構(gòu)所處的外部環(huán)境完全不同，因而應(yīng)分別考慮。

在施工階段，結(jié)構(gòu)完全暴露在環(huán)境中。溫度計算時，混凝土結(jié)構(gòu)計算考慮的最低溫Tamin取近3～5年最低月平均溫度，最高溫Tamax取近3～5年最高月平均溫度，鋼結(jié)構(gòu)計算時考慮的最低溫Tamin取近3～5年最低日平均溫度，最高溫Tamax取近3～5年最高日平均溫度。之所以不按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]取重現(xiàn)期為50年的基本氣溫，是因為規(guī)范是基于50年設(shè)計基準期考慮，而施工階段較為短暫，取近幾年最低、最高月(日)平均溫度，筆者認為是適宜的。根據(jù)氣象網(wǎng)有關(guān)資料，近年來銀川最低月平均溫度為-7℃，最高月平均溫度為23.5℃，最低日平均溫度為-12℃，最高日平均溫度為27.5℃。

在使用階段，考慮實際情況，該建筑的節(jié)能要求較高，站房結(jié)構(gòu)外部都有保溫做法，冬季有采暖。采暖期間，室內(nèi)溫度一般在20℃，因此使用期間各層樓面結(jié)構(gòu)最低溫Tamin偏保守取為15℃。對于屋面結(jié)構(gòu)，雖有外保溫，并不直接接觸室外環(huán)境，考慮到保溫效果，最低溫Tamin取室內(nèi)溫度與50年一遇環(huán)境最低月(日)平均氣溫的平均值。根據(jù)銀川地區(qū)1971～2000年的氣象資料，對于混凝土結(jié)構(gòu)，Tamin=(-11+20)/2=4.5℃，對于鋼結(jié)構(gòu)，Tamin=(-15+20)/2=2.5℃。銀川當?shù)叵募据^為涼爽，按不開空調(diào)考慮，因此混凝土結(jié)構(gòu)最高溫Tamax按50年一遇最高月平均氣溫考慮，根據(jù)氣象資料，取為26℃，鋼結(jié)構(gòu)最高溫按50年一遇最高日平均氣溫考慮，取為31℃。

表1歸納了施工階段及使用階段的結(jié)構(gòu)的最高溫、最低溫。

2.2 混凝土自身的收縮當量溫差

收縮是混凝土材料所固有的特性，也是引起混凝土開裂的主要原因之一。決定混凝土收縮應(yīng)力大小的因素主要有水泥品種、骨料級配、水灰比、養(yǎng)護條件、使用環(huán)境等。

表1 溫度作用計算的主要參數(shù)

候車廳樓面沿長向設(shè)4條后澆帶，短向不設(shè)后澆帶。后澆帶在120d 后澆注，則可認為混凝土已完成一部分收縮，剩余的收縮才會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應(yīng)力。工程設(shè)計中，混凝土的收縮變形采用收縮當量溫降ΔTc來分析，采用《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[3]附錄D中的計算公式：

εcs(t,ts)=εcs0βs(t-ts)=εs(fcm)βRHβs(t-ts)

(1)

εs(fcm)=[160+10βsc(9-fcm/fcm0)]×10-6

(2)

ΔTc=[εcs(∞,ts)-εcs(t,ts)]/αc

(3)

式中，εcs(∞,ts)為混凝土最終收縮應(yīng)變;

εcs(t,ts)為混凝土在t時刻的收縮應(yīng)變;ts為混凝土開始收縮的時間，假定為3d;

βRH為環(huán)境年平均相對濕度RH的函數(shù);

βs(t-ts)為收縮隨時間發(fā)展的系數(shù);

αc為混凝土線膨脹系數(shù)，取1×10-5/℃。

銀川當?shù)?010年以后年平均相對濕度為55%，后澆帶閉合的時間為澆筑完成后120d，普通硅酸鹽水泥βsc=5.0,混凝土材料強度等級拱、殼為C40，普通梁板為C35，計算時統(tǒng)一按C40考慮。根據(jù)規(guī)范[3]附錄D中公式計算，考慮結(jié)構(gòu)使用年限為50年，約18 250d，使用期間最終收縮量為εcs(18 250,3)。ΔTc,使=[εcs(18250,3)-εcs(120,3)]/αc≈36℃ 。施工前間考慮為結(jié)構(gòu)澆筑完成后的一年時間(365d)，施工期間收縮當量溫降ΔTc,施=[εcs(365,3)-εcs(120,3)]/αc≈9℃。

2.3 徐變應(yīng)力松弛系數(shù)

混凝土徐變是混凝土結(jié)構(gòu)在持續(xù)荷載作用下的變形隨時間不斷增加的現(xiàn)象?；炷列熳冄芯恐饕獊碜杂诨炷潦軌?。研究表明，混凝土受拉出現(xiàn)毛細裂縫直至開裂，其受拉應(yīng)變隨時間持續(xù)發(fā)展的規(guī)律與受壓徐變基本相同，可以將混凝土拉壓徐變規(guī)律視作相同[4]。

混凝土徐變系數(shù)采用規(guī)范[3]附錄D中的計算公式:

φ(t,t0)=φ0βc(t-t0)=

φRHβ(fcm)β(t0)βc(t-t0)

(4)

式中:

t0為加載時的混凝土齡期/d；

t為計算考慮時刻的混凝土齡期/d ；

φ(t,t0)為加載齡期為t0、計算考慮齡期為t時的混凝土徐變系數(shù)；

φ0為名義徐變系數(shù)。

考慮構(gòu)件配筋對混凝土徐變的影響，配筋率越大，徐變值越小，徐變應(yīng)力松弛系數(shù)越大。文獻[5]給出了考慮配筋率影響的徐變應(yīng)力松弛系數(shù)：

Rs(t,t0)=1.1/[1+X(t,t0)φ(t,t0)]

(5)

式中:

X(t,t0)為混凝土老化系數(shù);

(t,t0)值的范圍為0.5～1.0。

對于該工程構(gòu)件開始受荷時混凝土齡期t0取為7d，使用期間徐變應(yīng)力松弛系數(shù)Rs(18250,7)≈0.30，施工期間，徐變應(yīng)力松弛系數(shù)Rs(365,7)≈0.36。

2.4 彈性計算時升、降溫數(shù)值

工程計算時,一般都把混凝土結(jié)構(gòu)簡化為彈性材料來計算溫度作用，因而彈性計算時輸入的溫差應(yīng)為考慮徐變應(yīng)力松弛系數(shù)折減后的計算溫度，計算降溫時須疊加收縮引起的當量溫降。

對于樓、屋面混凝土結(jié)構(gòu)，圖紙說明中要求后澆帶的閉合期間的月平均溫度宜控制在5～10℃, 并應(yīng)嚴格控制在3～12℃。樓面混凝土結(jié)構(gòu)施工階段升溫計算溫度ΔT升=Rs(t,t0)(Tamax-T0)=0.36(23.5-3)=7.4℃,ΔT降=Rs(t,t0)(T0-Tamin+ΔTc)=0.36(12-(-7)+9)=10.1℃施工階段降溫計算溫度 。同樣方法可以計算出樓面混凝土結(jié)構(gòu)使用階段的升溫、降溫計算溫度，以及屋面混凝土結(jié)構(gòu)的施工、使用階段的升、降溫計算值。結(jié)算結(jié)果歸納如表1所示。

對于鋼結(jié)構(gòu)，在溫度作用下一般材料均處于彈性階段，因而計算升、降溫溫差按合攏溫度與計算時考慮的環(huán)境最高溫、最低溫的差值即可。

3 溫度作用的主要計算結(jié)果

3.1 溫度作用下主要構(gòu)件內(nèi)力

該項目按以下4個工況分別計算溫度作用：

(1)施工階段升溫作用計算；

(2)施工階段降溫作用計算；

(3)使用階段升溫作用計算；

(4)使用階段降溫作用計算。

站房混凝土殼體為站房結(jié)構(gòu)受力較為復雜的部分，是結(jié)構(gòu)的重要抗側(cè)力構(gòu)件，也是屋面鋼桁架和樓面部分混凝土結(jié)構(gòu)的支座。圖4中(a)、(b)、(c)、(d)分別為站房混凝土殼體在4個溫度作用工況下沿站房長向的正應(yīng)力σxx。在4個溫度工況作用下，殼體主要范圍的σxx在-0.5～0.5MPa之間，局部支承屋面鋼桁架處出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力可達±5.0MPa。

拱形支撐也是結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件，同時也作為鋼桁架和混凝土大梁的支承結(jié)構(gòu)。圖5為站房正面的拱形支撐的使用階段降溫工況下的軸力及彎矩圖。拱形支撐的軸力在-500～2100kN之間，兩側(cè)的拱軸力較小，中間的拱軸力較大。豎直平面內(nèi)的彎矩對值在幾十至數(shù)百kN·m范圍之內(nèi)。

首層頂板(即候車廳樓面)頂板長為243m，是超長抗裂問題比較突出的部位，圖6為首層頂板在最不利的使用階段降溫工況下的沿站房長向的正應(yīng)力σxx示意圖。首層頂板較大范圍的σxx在2.4～3.0MPa之間，樓板拉應(yīng)力較大。

圖4 站房混凝土殼體的溫度作用下的σxx

(b)豎直平面內(nèi)彎矩圖圖5 站房拱形支撐在使用階段降溫工況下的內(nèi)力圖

圖6 首層頂板在的使用階段降溫工況下的σxx

屋面鋼桁架在施工階段溫度工況下內(nèi)力比使用階段溫度工況下內(nèi)力更大。在施工階段升溫工況下，桁架主要弦桿軸力在-100～600kN之間；在施工階段降溫工況下，桁架主要弦桿軸力在-500～100kN之間。各工況下，桁架腹桿軸力均在40kN以內(nèi)。

3.2 溫度作用效應(yīng)組合

依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]的規(guī)定，溫度作用分項系數(shù)可取1.2，組合值系數(shù)可取0.6，頻遇值系數(shù)可取0.5，準永久值系數(shù)可取0.4。4個溫度工況分別與恒、活載等工況進行組合。進行施工階段驗算時，恒載僅考慮結(jié)構(gòu)自重，活載僅考慮施工堆載。施工階段不考慮溫度作用與地震、風荷載的組合。

4 設(shè)計中采取的主要措施

4.1 復核主要構(gòu)件的配筋或應(yīng)力比

根據(jù)包含溫度作用的各基本組合下構(gòu)件的設(shè)計內(nèi)力，分別對混凝土梁、柱、墻、拱、殼的配筋結(jié)果進行復核，適當加大了部分混凝土構(gòu)件的配筋。同樣，對鋼桁架也復核了構(gòu)件的應(yīng)力比，對局部應(yīng)力比較大的構(gòu)件適當增加截面。

4.2 其他構(gòu)造措施

除了從計算上使各構(gòu)件滿足抵抗溫度作用的能力，還在設(shè)計采取如下構(gòu)造措施。

(1)設(shè)置后澆帶，延長后澆帶封閉時間。

該項目首層頂板沿長向設(shè)置4條后澆帶，后澆帶之間凈距在43m～50m之間。不同于以往通常60d封閉后澆帶的要求，該項目要求施工后澆帶應(yīng)在兩側(cè)混凝土澆注完成120d后封閉。封閉后澆帶的混凝土采用比原強度等級高一級的補償收縮混凝土。采用摻膨脹劑的補償收縮混凝土，水中養(yǎng)護14d后的限制膨脹率不應(yīng)小于0.015%。

圖7 首層頂板預(yù)應(yīng)力筋布置平面圖(局部)

圖8 屋頂結(jié)構(gòu)平面圖

(2)嚴控結(jié)構(gòu)合攏溫度。

設(shè)計文件中要求施工后澆帶澆筑期間的月平均溫度宜控制在5～10℃, 并應(yīng)嚴格控制在3～12℃，嚴格控制鋼結(jié)構(gòu)的合攏溫度在為5～10℃。

(3)樓板內(nèi)設(shè)置溫度預(yù)應(yīng)力筋。

圖7為首層頂板溫度預(yù)應(yīng)力筋布置平面圖(僅顯示局部)，預(yù)應(yīng)力筋沿長向布置。采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力溫度筋體系，預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量為1×3BΦS15.2@1000，混凝土預(yù)壓應(yīng)力大小為2.0MPa。預(yù)應(yīng)力筋在樓板內(nèi)呈自然拋物線布置，即以框架梁處樓板上部鋼筋為拋物線支座高點(預(yù)應(yīng)力鋼筋在下)，以跨中樓板下部鋼筋為拋物線跨中低點(預(yù)應(yīng)力鋼筋在上)。施工后澆帶兩側(cè)的溫度預(yù)應(yīng)力鋼筋在兩側(cè)混凝土強度達到要求后分別張拉，后澆帶處預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)先埋置，待后澆帶混凝土達到強度后方可張拉。此外，沿長方向非預(yù)應(yīng)力下部鋼筋伸入樓板支座滿足LaE長度。

(4)鋼桁架與混凝土結(jié)構(gòu)連接采用單向可滑動的抗震支座。

圖8為屋頂結(jié)構(gòu)平面，為了盡可能減少結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力，屋面鋼桁架與兩側(cè)混凝土殼、梁、拱的連接采用抗震支座，抗震支座沿結(jié)構(gòu)長向是可滑動的，沿結(jié)構(gòu)短向是固定的。支座沿結(jié)構(gòu)長向的剛度為3kN/mm，允許位移量為50mm。這樣一種構(gòu)造，既保證了屋面結(jié)構(gòu)的剛度和整體性，又大大釋放了結(jié)構(gòu)在溫度作用下內(nèi)力。圖9為抗震支座。

圖9 抗震支座

(5)混凝土配比經(jīng)過試配確定，要求原材料符合相關(guān)標準的要求，嚴格控制水泥用量、水灰比、含泥量；控制混凝土塌落度，要求低溫入模；施工階段應(yīng)加強混凝土的養(yǎng)護。

(6)加強外墻、屋面板的保溫隔熱措施。

5 結(jié)論

(1)結(jié)構(gòu)在使用階段與施工階段所處的環(huán)境有顯著區(qū)別，計算時應(yīng)分開考慮。

(2)溫度作用計算時，鋼結(jié)構(gòu)環(huán)境溫度一般取最高(低)日平均氣溫，混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境溫度一般取最高(低)月平均氣溫。混凝土結(jié)構(gòu)計算時還應(yīng)考慮收縮、徐變的影響。

(3)應(yīng)根據(jù)包含溫度作用的基本組合下結(jié)構(gòu)內(nèi)力復核主要結(jié)構(gòu)的承載能力。

(4)超長混凝土結(jié)構(gòu)采用設(shè)置無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋來抵抗混凝土收縮和溫度下降產(chǎn)生的拉應(yīng)力，控制正常使用狀態(tài)下樓板的裂縫開展，具有良好的效果。

(5)確定合理的結(jié)構(gòu)合攏溫度、設(shè)置后澆帶、設(shè)置可滑動的連接支座均是減少溫度作用和混凝土收縮產(chǎn)生應(yīng)力的有效措施。

參考文獻

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