超長火車站溫度作用分析及設計對策

魯國昌

(北京市建筑設計研究院有限公司 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、出站廳及旅客服務設施等，層高9m，局部設置機房夾層，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設施等，層高6m；三層為站務辦公層，主要為站務辦公室及信息機房，層高4.5m；四層為空調(diào)機房層，層高6.5m；屋面由混凝土殼、玻璃屋面及鋼結構輕屋面組成，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，因而相應結構體系較為復雜，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構屋蓋構成的鋼-混凝土混合結構，圖2為站房的結構模型。站房地上雖有4層，但站務辦公層和空調(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、鋼結構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構布置。由于火車站作為公共空間，通常不允許設置變形縫，因此超長是該項目的一個突出特點。

圖2 銀川站新站房結構布置示意圖

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構內(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構，應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構所處環(huán)境不同，也應分別考慮。

2 確定結構的計算溫差

2.1 環(huán)境溫度條件

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

在施工階段，結構完全暴露在環(huán)境中。溫度計算時，混凝土結構計算考慮的最低溫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，鋼結構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《建筑結構荷載規(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，站房結構外部都有保溫做法，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構最低溫Tamin偏保守取為15℃。對于屋面結構，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，對于混凝土結構，Tamin=(-11+20)/2=4.5℃，對于鋼結構，Tamin=(-15+20)/2=2.5℃。銀川當?shù)叵募据^為涼爽，按不開空調(diào)考慮，因此混凝土結構最高溫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℃，鋼結構最高溫按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構的最高溫、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4條后澆帶，短向不設后澆帶。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構中產(chǎn)生拉應力。工程設計中，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應力混凝土橋涵設計規(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變;

εcs(t,ts)為混凝土在t時刻的收縮應變;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，考慮結構使用年限為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℃ 。施工前間考慮為結構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 徐變應力松弛系數(shù)

混凝土徐變是混凝土結構在持續(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潦軌骸Ｑ芯勘砻?，混凝土受拉出現(xiàn)毛細裂縫直至開裂，其受拉應變隨時間持續(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。

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

2.4 彈性計算時升、降溫數(shù)值

工程計算時,一般都把混凝土結構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為考慮徐變應力松弛系數(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、屋面混凝土結構，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℃, 并應嚴格控制在3～12℃。樓面混凝土結構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構使用階段的升溫、降溫計算溫度，以及屋面混凝土結構的施工、使用階段的升、降溫計算值。結算結果歸納如表1所示。

對于鋼結構，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果

3.1 溫度作用下主要構件內(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構受力較為復雜的部分，是結構的重要抗側(cè)力構件，也是屋面鋼桁架和樓面部分混凝土結構的支座。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)應力集中，應力可達±5.0MPa。

拱形支撐也是結構的抗側(cè)力構件，同時也作為鋼桁架和混凝土大梁的支承結構。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 溫度作用效應組合

依據(jù)《建筑結構荷載規(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，恒載僅考慮結構自重，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 設計中采取的主要措施

4.1 復核主要構件的配筋或應力比

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

4.2 其他構造措施

除了從計算上使各構件滿足抵抗溫度作用的能力，還在設計采取如下構造措施。

(1)設置后澆帶，延長后澆帶封閉時間。

該項目首層頂板沿長向設置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小于0.015%。

圖7 首層頂板預應力筋布置平面圖(局部)

圖8 屋頂結構平面圖

(2)嚴控結構合攏溫度。

設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℃, 并應嚴格控制在3～12℃，嚴格控制鋼結構的合攏溫度在為5～10℃。

(3)樓板內(nèi)設置溫度預應力筋。

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

(4)鋼桁架與混凝土結構連接采用單向可滑動的抗震支座。

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

(1)結構在使用階段與施工階段所處的環(huán)境有顯著區(qū)別，計算時應分開考慮。

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

(3)應根據(jù)包含溫度作用的基本組合下結構內(nèi)力復核主要結構的承載能力。

(4)超長混凝土結構采用設置無粘結預應力筋來抵抗混凝土收縮和溫度下降產(chǎn)生的拉應力，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)確定合理的結構合攏溫度、設置后澆帶、設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)生應力的有效措施。

參考文獻

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