諸慧超

Research 研究探討

北京某地鐵高架車(chē)站變形縫設(shè)置間距對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響探討

諸慧超

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102627）

本文以北京某地鐵高架站項(xiàng)目為例，對(duì)不同變形縫間距設(shè)置方案通過(guò)盈建科軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，論述了變形縫設(shè)置間距有關(guān)問(wèn)題，并提出了解決有關(guān)問(wèn)題的建議，以供推動(dòng)、完善變形縫設(shè)計(jì)規(guī)范。

地鐵高架站；變形縫；扭轉(zhuǎn)；溫度應(yīng)力；配筋

0 前言

地鐵高架站通常設(shè)在空間有限的城市區(qū)域，因其站體被架起，所以其地面占地面積較小，此類(lèi)結(jié)構(gòu)有著很高的空間利用率。在結(jié)構(gòu)上，一般通過(guò)設(shè)雙排墩柱甚至單排墩柱將站廳層、站臺(tái)層站架起，由此形成了墩柱、蓋梁等橋類(lèi)構(gòu)件和站廳層、站臺(tái)層的建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)梁板結(jié)構(gòu)整澆為一體的空間結(jié)構(gòu)。對(duì)于地鐵高架車(chē)站，晝夜溫差、自然災(zāi)害、、建筑物自身地基不均勻沉降等都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生較大影響。設(shè)置變形縫可提前阻止建筑物因?yàn)槌两?，溫差等因素發(fā)生變形。其中伸縮縫主要是在溫度發(fā)生變化式發(fā)揮作用，以避免結(jié)構(gòu)材料發(fā)生熱脹冷縮而產(chǎn)生裂縫破壞結(jié)構(gòu)。對(duì)于較長(zhǎng)建筑物伸縮縫可將其分成幾個(gè)較短的獨(dú)立部分，減小結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力。但對(duì)于地鐵高架站變形縫設(shè)置間距問(wèn)題，目前暫未有明確標(biāo)準(zhǔn)。本文以北京某地鐵高架站為例，結(jié)合建筑布置需求，探討不同變形縫間距設(shè)置對(duì)于結(jié)構(gòu)變形影響，以推動(dòng)對(duì)于地鐵高架車(chē)站變形縫設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)建立。

1 工程概況

北京某地鐵高架車(chē)站為現(xiàn)澆式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用“橋——建”組合結(jié)構(gòu)體系，主要優(yōu)點(diǎn)有車(chē)站柱子根數(shù)少，柱網(wǎng)整齊，建筑布置靈活，外立面簡(jiǎn)潔美觀，可提升區(qū)域城市形象。同時(shí)此結(jié)構(gòu)可避免高架橋墩柱穿越車(chē)站樓板，節(jié)省站房空間，更好的滿(mǎn)足車(chē)站使用功能，同時(shí)能避免站臺(tái)與列車(chē)間的不均勻沉降，抗側(cè)移剛度大。車(chē)站整體性好，有利于結(jié)構(gòu)抗震且對(duì)施工場(chǎng)地空間要求較小。車(chē)站總長(zhǎng)度為186.00m，總寬度為26.05m。車(chē)站采用二層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)型式。地面一層為站廳層，地上二層為站臺(tái)板下層，站臺(tái)層柱均于站臺(tái)板下層生根。車(chē)站為側(cè)式雙線(xiàn)車(chē)站，橫向中間區(qū)域四柱三跨（8.375+7.800+8.375m）。車(chē)站結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為一級(jí)，抗震構(gòu)造措施等級(jí)為特一級(jí)，建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)。下文中討論的梁板柱均為框架構(gòu)件，柱尺寸為1400mm×1400mm、梁尺寸為800mm×1000mm及200mm厚的現(xiàn)澆混凝土板。

2 變形縫設(shè)置

北京某地鐵高架車(chē)站屬于超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，故需要分縫處理，在兼顧建筑美觀性前提下，車(chē)站在5-6軸及10-11軸設(shè)置兩道變形縫，結(jié)構(gòu)分為（52.75m+60m+67.75m）三部分，變形縫寬度采用500mm,變形縫處采用雙柱共用基礎(chǔ)方案。此變形縫按伸縮縫設(shè)置，兼顧防震縫和沉降縫的作用。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010,2015年版)對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距規(guī)定可知，室內(nèi)或土中現(xiàn)澆式框架結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距為55m。原設(shè)計(jì)在超過(guò)規(guī)范允許最大間距值的結(jié)構(gòu)中采取減小混凝土收縮及溫度變化的措施，采用低收縮混凝土材料，設(shè)置后澆帶并加強(qiáng)施工養(yǎng)護(hù)以消除溫度變化與混凝土收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

由于建筑方案的改動(dòng)，現(xiàn)需要在車(chē)站長(zhǎng)度不變的情況下，改變變形縫的設(shè)置間距以滿(mǎn)足建筑方案。方案一為增加中間結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度15m，并減小右側(cè)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度15m，既結(jié)構(gòu)分為（52.75m+75m+52.75m）三部分。方案二為在方案一的基礎(chǔ)上再增加中間結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度15m，并減小左側(cè)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度15m，既結(jié)構(gòu)分為（37.75m+90m+52.75m）三部分。此三個(gè)方案僅改變結(jié)構(gòu)整體長(zhǎng)度，對(duì)于梁柱板構(gòu)件的尺寸均不做改變。

3 計(jì)算結(jié)果分析

由于本高架車(chē)站為“橋——建”組合結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50157—2013)[1]第10.6.2條規(guī)定，車(chē)站高架結(jié)構(gòu)中軌道梁、支承軌道梁的橫梁、支承橫梁的柱等構(gòu)件及柱下基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，均按現(xiàn)行鐵路橋涵設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，組合結(jié)構(gòu)體系中其余構(gòu)件應(yīng)按現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本車(chē)站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件V3.0.1版。本文通過(guò)此軟件分別對(duì)三個(gè)方案進(jìn)行建模計(jì)算，并以軟件計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)結(jié)合工程實(shí)例討論變形縫設(shè)置間距對(duì)于結(jié)構(gòu)位移，內(nèi)力，梁配筋與板配筋的影響。

3.1 對(duì)位移影響

在盈建科軟件計(jì)算結(jié)果中，對(duì)應(yīng)位移的參數(shù)有最大層間位移角，最大位移與層平均位移的比值及最大層間位移與平均層間位移的比值。其中最大層間位移角是結(jié)構(gòu)剛度的宏觀控制指標(biāo)，位移比則是側(cè)重于結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)之間的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系。盈建科軟件計(jì)算基于剛性樓板假定，結(jié)果見(jiàn)表3.1：

表 3.1 結(jié)構(gòu)位移參數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

由表3.1的結(jié)果可知，三個(gè)方案均小于規(guī)范1/550的限值，最大層間位移角在結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸相同情況下與結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度未有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，方案一的最大層間位移角最大，對(duì)應(yīng)著它的剛度是三個(gè)方案中最小的。因此結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度在相同尺寸構(gòu)件結(jié)構(gòu)中對(duì)結(jié)構(gòu)剛度不是控制因素。

由《高規(guī)》[2]的4.3.5條規(guī)定，可知樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移角，不宜大于該樓層平均值的1.2倍；且對(duì)于本車(chē)站不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍。實(shí)際處理中對(duì)于結(jié)構(gòu)最大位移比與最大層間位移比大于1.3的，則應(yīng)算作一項(xiàng)超限。由表3.1可知，三個(gè)方案中雖有大于規(guī)范推薦的1.2的方案，但都未超限。而且在結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸相同情況下結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度與位移比成正相關(guān)，既位移比在結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸相同情況下隨結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度增加而增大。此關(guān)系可以理解為在結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸相同情況下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)隨著結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度增加而變大。

3.2 對(duì)內(nèi)力影響

考慮到扭轉(zhuǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，柱在尺寸不變情況下受地震影響變大，因此本文統(tǒng)計(jì)了在地震工況中柱剪力和彎矩最大值，軸力由恒載控制不在本文討論范圍內(nèi)，結(jié)果見(jiàn)表3.2。除了地震作用的影響，溫度作用對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響也是不可忽視的，本次高架站溫度荷載采用全樓溫差輸入，溫度變化范圍為-30℃~25℃。本文分別記錄了基本組合和準(zhǔn)永久組合下梁構(gòu)件的溫度內(nèi)力對(duì)應(yīng)的彎矩，見(jiàn)表3.2：

表3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力統(tǒng)計(jì)表

由表3.2可以知，對(duì)于柱剪力，其變化不與結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度成正相關(guān)。柱彎矩則是隨結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度增加而增大，這種關(guān)系是非線(xiàn)性的，隨著結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度增加而彎矩增大量是減小的。對(duì)于溫度變化對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響，從本次計(jì)算可以得出在-30℃~25℃范圍內(nèi)升溫對(duì)結(jié)構(gòu)影響大于降溫的影響。在不同方案中的不同荷載組合計(jì)算結(jié)果都體現(xiàn)出在結(jié)果尺寸相同的情況，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度和溫度應(yīng)力是正相關(guān)。方案二中的彎矩相對(duì)于原方案增加了將近一倍，可見(jiàn)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度對(duì)于溫度應(yīng)力影響是十分明顯的。溫度應(yīng)力在基本組合荷載組合中并不是控制組合，且在施工時(shí)對(duì)于過(guò)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)也會(huì)設(shè)置后澆帶以減小新澆混凝土的收縮應(yīng)力。但是在準(zhǔn)永久組合中構(gòu)件裂縫控制必須考慮溫度應(yīng)力對(duì)于構(gòu)件的影響。

3.3 對(duì)配筋影響

對(duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程，所有的計(jì)算結(jié)果最后都會(huì)在構(gòu)件配筋上體現(xiàn)，對(duì)于本結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)增大主要控柱配筋，而溫度應(yīng)力主要控制梁板裂縫配筋。配筋結(jié)果統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表3.3：

表3.3 構(gòu)件配筋統(tǒng)計(jì)表

由表3.3可知，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸相同的情況下，變形縫間距增大，既結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度增加，會(huì)增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋。結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度增加對(duì)于柱板配筋影響大于對(duì)于梁配筋的影響。由此結(jié)果可以推測(cè)，當(dāng)變形縫設(shè)置間距增大到一定程度后，結(jié)構(gòu)構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)超筋，從而要求增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，而對(duì)于類(lèi)似地鐵的對(duì)空間利用率要求比較高的項(xiàng)目，構(gòu)件尺寸的增大對(duì)整體方案影響十分巨大。

4 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)北京某高架地鐵站的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分進(jìn)行計(jì)算，得出在結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸不變的情況下，設(shè)置變形縫間距增大，會(huì)增大建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，會(huì)增大建筑結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力。建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)增大會(huì)導(dǎo)致柱配筋增大；溫度應(yīng)力的增大則主要控制梁板的裂縫配筋，且對(duì)板的影響遠(yuǎn)大于梁。對(duì)于變形縫的設(shè)置間距，建議盡量靠近規(guī)范推薦值，對(duì)于不得不超過(guò)規(guī)范推薦值的變形縫設(shè)置方案應(yīng)采用相應(yīng)措施來(lái)減小溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，不建議采用超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)方案。

由于水平有限，計(jì)算樣本沒(méi)有大于100m的方案，結(jié)論應(yīng)用范圍有限。請(qǐng)業(yè)界商榷，以期能盡快推進(jìn)行業(yè)合理化、規(guī)范化。

[1]GB50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013

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

[3]GB50011-2010，2016年版建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016

[4]JGJ3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[M].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010

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1007-6344（2021）01-0331-02