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

諸慧超

Research 研究探討

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

諸慧超

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102627）

本文以北京某地鐵高架站項目為例，對不同變形縫間距設(shè)置方案通過盈建科軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析，論述了變形縫設(shè)置間距有關(guān)問題，并提出了解決有關(guān)問題的建議，以供推動、完善變形縫設(shè)計規(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，此類結(jié)構(gòu)有著很高的空間利用率。在結(jié)構(gòu)上，一般通過設(shè)雙排墩柱甚至單排墩柱將站廳層、站臺層站架起，由此形成了墩柱、蓋梁等橋類構(gòu)件和站廳層、站臺層的建筑結(jié)構(gòu)類梁板結(jié)構(gòu)整澆為一體的空間結(jié)構(gòu)。對于地鐵高架車站，晝夜溫差、自然災(zāi)害、、建筑物自身地基不均勻沉降等都會對結(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為沉降，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)。對于較長建筑物伸縮縫可將其分成幾個較短的獨立部分，減小結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力。但對于地鐵高架站變形縫設(shè)置間距問題，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)置對于結(jié)構(gòu)變形影響，以推動對于地鐵高架車站變形縫設(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)點有車站柱子根數(shù)少，柱網(wǎng)整齊，建筑布置靈活，外立面簡潔美觀，可提升區(qū)域城市形象。同時此結(jié)構(gòu)可避免高架橋墩柱穿越車站樓板，節(jié)省站房空間，更好的滿足車站使用功能，同時能避免站臺與列車間的不均勻沉降，抗側(cè)移剛度大。車站整體性好，有利于結(jié)構(gòu)抗震且對施工場地空間要求較小。車站總長度為186.00m，總寬度為26.05m。車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，地上二層為站臺板下層，站臺層柱均于站臺板下層生根。車站為側(cè)式雙線車站，橫向中間區(qū)域四柱三跨（8.375+7.800+8.375m）。車站結(jié)構(gòu)抗震等級為一級，抗震構(gòu)造措施等級為特一級，建筑抗震設(shè)防類別為乙類。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

北京某地鐵高架車站屬于超長結(jié)構(gòu)，故需要分縫處理，在兼顧建筑美觀性前提下，車站在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)計規(guī)范》（GB50010-2010,2015年版)對于鋼筋混凝土結(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)計在超過規(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)置后澆帶并加強施工養(yǎng)護(hù)以消除溫度變化與混凝土收縮對結(jié)構(gòu)的影響。

由于建筑方案的改動，現(xiàn)需要在車站長度不變的情況下，改變變形縫的設(shè)置間距以滿足建筑方案。方案一為增加中間結(jié)構(gòu)長度15m，并減小右側(cè)結(jié)構(gòu)長度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)長度15m，并減小左側(cè)結(jié)構(gòu)長度15m，既結(jié)構(gòu)分為（37.75m+90m+52.75m）三部分。此三個方案僅改變結(jié)構(gòu)整體長度，對于梁柱板構(gòu)件的尺寸均不做改變。

3 計算結(jié)果分析

由于本高架車站為“橋——建”組合結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》( GB50157—2013)[1]第10.6.2條規(guī)定，車站高架結(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，均按現(xiàn)行鐵路橋涵設(shè)計相關(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)計規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。本車站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件V3.0.1版。本文通過此軟件分別對三個方案進(jìn)行建模計算，并以軟件計算結(jié)果為基礎(chǔ)結(jié)合工程實例討論變形縫設(shè)置間距對于結(jié)構(gòu)位移，內(nèi)力，梁配筋與板配筋的影響。

3.1 對位移影響

在盈建科軟件計算結(jié)果中，對應(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)之間的一種對應(yīng)關(guān)系。盈建科軟件計算基于剛性樓板假定，結(jié)果見表3.1：

表 3.1 結(jié)構(gòu)位移參數(shù)計算結(jié)果對比表

由表3.1的結(jié)果可知，三個方案均小于規(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)長度未有明確的對應(yīng)關(guān)系，方案一的最大層間位移角最大，對應(yīng)著它的剛度是三個方案中最小的。因此結(jié)構(gòu)長度在相同尺寸構(gòu)件結(jié)構(gòu)中對結(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；且對于本車站不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍。實際處理中對于結(jié)構(gòu)最大位移比與最大層間位移比大于1.3的，則應(yīng)算作一項超限。由表3.1可知，三個方案中雖有大于規(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)長度增加而變大。

3.2 對內(nèi)力影響

考慮到扭轉(zhuǎn)對結(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)果見表3.2。除了地震作用的影響，溫度作用對于結(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)力對應(yīng)的彎矩，見表3.2：

表3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力統(tǒng)計表

由表3.2可以知，對于柱剪力，其變化不與結(jié)構(gòu)長度成正相關(guān)。柱彎矩則是隨結(jié)構(gòu)長度增加而增大，這種關(guān)系是非線性的，隨著結(jié)構(gòu)長度增加而彎矩增大量是減小的。對于溫度變化對于結(jié)構(gòu)的影響，從本次計算可以得出在-30℃~25℃范圍內(nèi)升溫對結(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)長度和溫度應(yīng)力是正相關(guān)。方案二中的彎矩相對于原方案增加了將近一倍，可見結(jié)構(gòu)長度對于溫度應(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，且在施工時對于過長結(jié)構(gòu)也會設(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)力對于構(gòu)件的影響。

3.3 對配筋影響

對于實際結(jié)構(gòu)設(shè)計工程，所有的計算結(jié)果最后都會在構(gòu)件配筋上體現(xiàn)，對于本結(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)計表見表3.3：

表3.3 構(gòu)件配筋統(tǒng)計表

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)長度增加，會增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋。結(jié)構(gòu)長度增加對于柱板配筋影響大于對于梁配筋的影響。由此結(jié)果可以推測，當(dāng)變形縫設(shè)置間距增大到一定程度后，結(jié)構(gòu)構(gòu)件會出現(xiàn)超筋，從而要求增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，而對于類似地鐵的對空間利用率要求比較高的項目，構(gòu)件尺寸的增大對整體方案影響十分巨大。

4 總結(jié)

本文通過對北京某高架地鐵站的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計部分進(jìn)行計算，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，會增大建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，會增大建筑結(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，且對板的影響遠(yuǎn)大于梁。對于變形縫的設(shè)置間距，建議盡量靠近規(guī)范推薦值，對于不得不超過規(guī)范推薦值的變形縫設(shè)置方案應(yīng)采用相應(yīng)措施來減小溫度對結(jié)構(gòu)的影響，不建議采用超長結(jié)構(gòu)方案。

由于水平有限，計算樣本沒有大于100m的方案，結(jié)論應(yīng)用范圍有限。請業(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)計規(guī)范[M].北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2013

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

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

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