胡宏駿

摘? 要：統(tǒng)景站站房平面布置整體呈現(xiàn)“凹”字形，在水平方向上形成超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)體系。針對(duì)站房結(jié)構(gòu)，分析了從施工到正常使用過(guò)程中受到的溫度作用特點(diǎn)，利用MIDAS/Gen進(jìn)行了溫度應(yīng)力計(jì)算分析。結(jié)果表明，在溫度荷載作用下，結(jié)構(gòu)平面布置因整體呈現(xiàn)“凹”字形，有效釋放了溫度應(yīng)力，混凝土抗拉強(qiáng)度能夠有效抵抗溫度應(yīng)力;“凹”字形平面內(nèi)側(cè)拐角位置框架柱剛度大，對(duì)樓板約束作用強(qiáng)，產(chǎn)生了溫度應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力峰值達(dá)到6.2MPa，應(yīng)合理配置附加溫度鋼筋，并給出了配筋計(jì)算式。

關(guān)鍵詞：超長(zhǎng)結(jié)構(gòu);“凹”字形平面;溫度應(yīng)力;MIDAS/Gen

中圖分類號(hào)：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）21-0049-03

Abstract： The layout of the Tongjing Station presents a "concave" shape， forming an ultra-long structure in the horizontal direction. This paper analyzes the temperature action characteristics of the structure from construction to normal use， and uses MIDAS/Gen to analyze the temperature stress. The results show that under the action of temperature load， the plane layout of the structure presents a "concave" shape plane， effectively releasing the temperature stress， and the tensile strength of concrete can effectively resist the temperature stress. The stiffness of the frame column at the inner corner of the "concave" shape plane is large and it exerts strong constraint on the floor， resulting in the phenomenon of temperature stress concentration， which the stress peak reaches 6.2MPa. Finally， the calculation formula of reinforcement is given.

Keywords： ultra-long structure; a "concave" shape plane; temperature stress; MIDAS/Gen

引言

近年來(lái)，快又好的鐵路建設(shè)拉動(dòng)了地方區(qū)域經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，業(yè)主也對(duì)站房建設(shè)提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求。出于整體性方面的考慮，站房將進(jìn)站大廳、附屬用房、站臺(tái)風(fēng)雨棚等合建。這樣的建筑方式避開(kāi)了傳統(tǒng)意義上通過(guò)設(shè)置伸縮縫來(lái)劃分建筑單元的設(shè)計(jì)思想，提高了站房舒適性，但也造成站房在水平面上容易形成超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)體系，溫度應(yīng)力問(wèn)題較為突出，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。為了預(yù)測(cè)溫度應(yīng)力對(duì)這類站房結(jié)構(gòu)造成的影響，本文以重慶市統(tǒng)景站站房為例，利用MIDAS/Gen對(duì)站房結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度應(yīng)力模擬計(jì)算，分析了計(jì)算結(jié)果，并給出了合理化建議，為這類站房結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

1 工程概況

重慶鐵路樞紐東環(huán)線線路總長(zhǎng)260km，全線新建統(tǒng)景站、珞璜東站、東港站、南彭站、郭家站等5座車站。各站房均為單層，屋面層標(biāo)高6.9m，建筑面積2500m2，抗震設(shè)防類別丙類，框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度6度（0.05g），設(shè)計(jì)地震分組第一組。各站房均將進(jìn)站大廳、附屬用房、站臺(tái)風(fēng)雨棚合建，造成站房在水平方向上形成超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)體系，平面布置呈現(xiàn)“凹”字形，不滿足規(guī)范[1]8.1.1條“現(xiàn)澆式框架結(jié)構(gòu)伸縮縫間距不超過(guò)55m”要求。為了預(yù)測(cè)溫度應(yīng)力對(duì)這類站房結(jié)構(gòu)造成的影響，本文以統(tǒng)景站站房為例，效果如圖1，采用有限元軟件MIDAS/Gen對(duì)其進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算分析。

2 建模計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 溫度荷載確定

在混凝土超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析中，溫度荷載主要考慮季節(jié)溫差、混凝土收縮當(dāng)量溫差。

2.1.1 季節(jié)溫差

混凝土抗拉能力遠(yuǎn)小于抗壓能力，降溫作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力是超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫開(kāi)裂的重要原因，本文主要研究降溫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。規(guī)范[2]采用估算法確定結(jié)構(gòu)的季節(jié)溫差，溫度荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式：

△Tk=Ts，min-T0，max? ? ? ? （1）

式中，△Tk-均勻溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值，單位（℃）;Ts，min-結(jié)構(gòu)最低平均溫度，單位（℃）;T0，max-結(jié)構(gòu)最高初始平均溫度，單位（℃）。

本文查閱重慶市氣象局提供2009～2019年重慶市氣溫?cái)?shù)據(jù)，得到2009～2019年重慶市月平均氣溫變化，如圖2。根據(jù)圖2得到結(jié)構(gòu)最高初始平均溫度T0，max出現(xiàn)在夏季（6～8月），T0，max為29℃。當(dāng)站房在使用階段，考慮到屋面、墻體設(shè)置有隔熱保溫層，室內(nèi)亦有空調(diào)設(shè)備，環(huán)境溫度一般為26±5℃，得到結(jié)構(gòu)在使用階段最低平均溫度Ts，min1為21℃。當(dāng)站房在施工階段，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露在室外，平均溫度在年平均溫度8～30℃范圍內(nèi)，得到結(jié)構(gòu)在施工階段最低平均溫度Ts，min2為8℃。綜上所述，據(jù)公式（1）確定結(jié)構(gòu)最大降溫△Tk=Ts，min-T0，max=MIN（Ts，min1，Ts，min2）-T0，max=8-29=-21℃。

2.1.2 混凝土收縮當(dāng)量溫差

混凝土收縮是混凝土材料固有的時(shí)效屬性，收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力亦是引起超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的重要原因。在工程實(shí)踐中，一般會(huì)對(duì)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)置后澆帶，待混凝土澆筑60d以后再進(jìn)行后澆帶封閉施工，這應(yīng)計(jì)入后澆帶設(shè)置對(duì)混凝土收縮時(shí)產(chǎn)生的有利影響[3-4]。本文將混凝土后澆帶封閉施工后剩余的混凝土收縮量換算成等效的降溫溫差△Ts，來(lái)考慮混凝土收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)算公式：

△Ts=-△εy/α? ? ? ? ? ? （2）

△εy=εy（t）-ε（∞）? ? ? ? ? （3）

εy（t）=ε（∞）·（1-e-0.01t）? ? ? ? ? ? ? （4）

ε（∞）=ε0（∞）·M1·M2·M3·……·Mn? （5）

式中，△Ts-混凝土收縮當(dāng)量溫差，單位（℃）;△εy-某時(shí)間段內(nèi)混凝土發(fā)生的收縮應(yīng)變;α-混凝土線膨脹系數(shù)，單位（1/℃），取值1×10-5（1/℃）;εy（t）-某時(shí)刻混凝土收縮應(yīng)變;t-混凝土澆筑后的天數(shù)，單位（d）;ε（∞）-某施工條件下混凝土最終收縮應(yīng)變;ε0（∞）-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)混凝土最大收縮應(yīng)變，取值3.24×10-4;Mi-混凝土在各項(xiàng)影響因素下的修正系數(shù)，見(jiàn)表1。

本工程在結(jié)構(gòu)平面上設(shè)置了兩條沿Y方向的混凝土伸縮后澆帶，待混凝土澆筑60d以后，對(duì)后澆帶進(jìn)行封閉施工。據(jù)式（2）～（5），得到△εy=εy（∞）-εy（60）=1.53×-10-4-3.4×10-4=-1.87×10-4，混凝土收縮當(dāng)量溫差△Ts為-18.7℃。

2.1.3 徐變系數(shù)

混凝土徐變是隨著時(shí)間緩慢發(fā)展的，引起的溫度應(yīng)力松弛可以提高混凝土極限變形能力，造成結(jié)構(gòu)實(shí)際產(chǎn)生的溫度應(yīng)力遠(yuǎn)小于其在分析模型中施加溫度荷載后的彈性分析結(jié)果，因此應(yīng)充分考慮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力產(chǎn)生的影響。本文對(duì)混凝土徐變系數(shù)Ψ[3-4]取值0.3。

2.2 模型建立

站房將進(jìn)站大廳、附屬用房、站臺(tái)風(fēng)雨棚合建，造成站房在X水平方向形成超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，平面布置呈現(xiàn)“凹”字形，平面尺寸為96m×40m，MIDAS/Gen分析模型如圖3，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：（1）考慮框架梁柱、板在溫度荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力，不考慮隔墻對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。（2）框架梁柱采用梁?jiǎn)卧╞eam element），板采用板單元（plate element）。（3）框架梁柱、板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，彈性模量Ec=3×104MPa，線膨脹系數(shù)為1×10-5（1/℃）;結(jié)構(gòu)鋼筋采用HRB400，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=360MPa。（4）框架梁柱截面尺寸滿足設(shè)計(jì)和使用要求，板厚度為120mm。（5）向結(jié)構(gòu)施加的溫度荷載值：季節(jié)溫差+混凝土收縮當(dāng)量溫差=（-21）+（-18.7）=-39.7℃。

2.3 分析結(jié)果

在MIDAS/Gen中，對(duì)站房結(jié)構(gòu)模型施加溫度荷載（-39.7℃），進(jìn)行有限元分析，得到屋面板X方向應(yīng)力圖4、Y方向應(yīng)力圖5。

圖4、圖5中屋面板普遍區(qū)域溫度應(yīng)力分布均衡，單位寬度板拉應(yīng)力在0.1～1.2MPa之間，遠(yuǎn)小于板混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01MPa。從結(jié)構(gòu)整體上看，結(jié)構(gòu)平面布置呈現(xiàn)“凹”字形，這樣的布置方式極大地削弱了框架梁柱對(duì)板的約束作用，讓板的溫度應(yīng)力得以有效釋放，導(dǎo)致板的溫度拉應(yīng)力較小。屋面板普遍區(qū)域溫度荷載作用效果不明顯，混凝土抗拉能力足以抵抗溫度應(yīng)力。

圖4、圖5中屋面板向內(nèi)凹的拐角位置溫度拉應(yīng)力出現(xiàn)了峰值，達(dá)到6.2MPa，但是其周邊區(qū)域拉應(yīng)力迅速下降到1.2MPa以內(nèi)。內(nèi)凹拐角位置框架柱截面尺寸達(dá)到0.8m×1.5m，這對(duì)樓板起到了極大約束作用。板拐角位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)配置附加溫度放射筋，以抵抗溫度荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，防止屋面板出現(xiàn)開(kāi)裂，影響結(jié)構(gòu)美觀和使用。

2.4 溫度鋼筋配置

本文將屋面板當(dāng)作全截面受拉構(gòu)件，計(jì)算降溫工況下單位寬度板單元單層單向附加溫度鋼筋，計(jì)算公式：

As=γQ·（σ·A）·Ψ/fy/2? ?（6）

式中，γQ-溫度荷載分項(xiàng)系數(shù)，取值1.5;σ-單位寬度板單元拉應(yīng)力，單位（MPa）;A-單位寬度板單元截面尺寸，單位（mm2），取值120×1000mm2;Ψ-徐變系數(shù)，取值0.3;fy-鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，單位（MPa），取值360MPa（HRB400鋼筋）。

屋面板內(nèi)凹拐角位置板拉應(yīng)力為6.2MPa，據(jù)公式（6）得到單位寬度板單元單層單項(xiàng)配筋計(jì)算值為465mm2，在施工圖設(shè)計(jì)中為該區(qū)域?qū)嶋H配置附加溫度應(yīng)力鋼筋為雙層雙向? 10@150。

3 結(jié)論

本文以統(tǒng)景站站房工程為例，分析了結(jié)構(gòu)從施工到正常使用過(guò)程中可能受到的溫度作用特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)MIDAS/Gen溫度應(yīng)力計(jì)算分析，研究了溫度荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，得到如下結(jié)論：（1）站房結(jié)構(gòu)平面布置整體呈現(xiàn)“凹”字形，這樣的平面布置方式有效釋放了溫度應(yīng)力，板拉應(yīng)力普遍在0.1～1.2MPa之間，混凝土強(qiáng)度足以抵抗溫度應(yīng)力。（2）屋面板內(nèi)凹拐角位置的框架柱對(duì)板起到了極大約束作用，產(chǎn)生了溫度應(yīng)力集中現(xiàn)象，板拉應(yīng)力峰值達(dá)到6.2MPa，應(yīng)合理配置附加溫度鋼筋以抵抗溫度應(yīng)力。（3）將板當(dāng)作全截面受拉構(gòu)件，給出了單位寬度板單元配筋計(jì)算公式，以屋面板內(nèi)凹拐角位置板為例進(jìn)行了附加溫度鋼筋設(shè)計(jì)，為這類站房結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50010-2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社（2015年版），2010.

[2]GB50009-2012.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[3]王鐵夢(mèng).建筑物的裂縫控制[M].北京：中國(guó)科技出版社，1987.

[4]王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.