國鐵站房超長結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

孫天榮

由于我國城市化發(fā)展建設(shè)歷程的推進，大眾對公共建筑設(shè)施的舒適性和功能性要求越來越高，因此，一些大型的公共設(shè)施正逐漸向超長、超高和大空間方向發(fā)展。與此同時，超長建筑物的出現(xiàn)給結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工帶來了一系列問題，由于超長混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部自身收縮，以及在水泥水化熱的作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的溫度應(yīng)力，容易引起構(gòu)件表面不均勻變化，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變更加復(fù)雜，產(chǎn)生不同程度的開裂，影響結(jié)構(gòu)的承載力和安全性能，因此對設(shè)計和施工也提出了更高要求。

處于環(huán)境中的混凝土構(gòu)件，由于氣溫的變化，使得混凝土內(nèi)外產(chǎn)生了溫差，形成溫度應(yīng)力，常常會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，從而降低結(jié)構(gòu)的抗裂性和穩(wěn)定性。在大尺寸混凝土構(gòu)件中，水泥硬化前期放出大量的熱，而混凝土同一方向傳熱較慢，使構(gòu)件不同位置產(chǎn)生較大溫差，在表面形成拉應(yīng)力；后期混凝土由于體積膨脹受到基礎(chǔ)或原結(jié)構(gòu)的阻礙約束，表面也會產(chǎn)生拉應(yīng)力；同時，結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差和復(fù)雜多變的周圍環(huán)境也會使混凝土產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗裂強度時，混凝土表面會出現(xiàn)開裂，拉應(yīng)力得到釋放，構(gòu)件強度降低。因此掌握混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力變化規(guī)律，了解結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力形成的原理和特性，并采取適當(dāng)措施有效避免，對大尺寸混凝土結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計和施工意義重大。

一、工程概況

某國鐵站廳站房總建筑面積為49964.8m2。主體結(jié)構(gòu)為四層，高35m，候車室由東、西站房和高架候車室組成。

該站房地上、地下均為兩層，其中地上二層為候車層，地面層為站臺層，地下一層為廣場層，地下二層為出站層，地面上兩層之間設(shè)有辦公和商業(yè)夾層，具體樓層關(guān)系見圖1虛線范圍區(qū)域。

圖1 樓層關(guān)系圖

站廳層位于地上二層，主要功能是為旅客提供候車場所，站廳層總長226m，寬122～137m，混凝土結(jié)構(gòu)不設(shè)施工縫，強度為C35，圖2為站廳層平面圖。

圖2 站廳層平面圖

選取該站廳層為主要分析對象建立模型，采用SAP有限元軟件進行模擬，分析該層雙向超長結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力。

二、建模計算及結(jié)果分析

1.溫度荷載確定

根據(jù)氣象局提供的該項目地區(qū)氣溫數(shù)據(jù)，可以得到：

根據(jù)圖3確定溫度計算的基本參數(shù)取值如下表所示，其中正常工作情況為有暖氣或空調(diào)，非正常情況為無暖氣無空調(diào)。

表1 計算溫度基本參數(shù)取值

圖3 氣溫變化圖

據(jù)相關(guān)資料分析，混凝土結(jié)構(gòu)終凝溫度取值范圍一般為10～30℃，應(yīng)結(jié)合不同地區(qū)和具體工程實際選取。

溫度荷載的確定需要考慮眾多因素，包括混凝土收縮、季節(jié)溫差、溫度驟變和日落后夜間形成的內(nèi)高外低的溫差；考慮混凝土徐變、覆土影響，并對開裂后構(gòu)件進行剛度折減，對溫度荷載進行適當(dāng)折減；最后通過線性分布法模擬，得到構(gòu)件計算溫度。主要的溫度荷載取值方法如下：

（1）混凝土收縮計算

混凝土溫差自由應(yīng)變?yōu)?/p>

式中：α為混凝土線膨脹系數(shù)，α=10-5/℃；

假定結(jié)構(gòu)后澆帶為兩個月，結(jié)合該工程設(shè)計和施工實際情況，假定混凝土已完成大部分收縮變形，根據(jù)文獻分析，混凝土收縮當(dāng)量可用等效溫差值表示，后期結(jié)構(gòu)殘余變形為5.0×10-5，由此

（2）季節(jié)溫差

季節(jié)性溫差由于溫度變化呈現(xiàn)出周期性、反復(fù)性的發(fā)展規(guī)律，秋冬尤其明顯。在計算時，可采用正常使用時結(jié)構(gòu)中面計算溫度T中與混凝土達(dá)到終凝時的溫度T凝兩者之差來表示：

施工過程中，混凝土結(jié)構(gòu)通過自身熱脹冷縮作用也會產(chǎn)生溫度應(yīng)力，計算時可通過混凝土收縮等效溫差與季節(jié)溫差相疊加。

（3）溫度驟變

溫度驟變會使結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部之間產(chǎn)生溫度差，且溫度差會隨時間交替變化，假定該項目地區(qū)夏季最高氣溫平均值為39.0℃，冬季最低氣溫平均值為-11.0℃。

（4）晝夜溫差

混凝土由于晝夜更替形成溫度梯度，并隨時間呈周期性變化，產(chǎn)生內(nèi)高外低間歇性時間段溫差。

表2 主要的溫度荷載工況

綜上：在最不利工況下，確定站廳層樓板溫度為-8.25℃。

2.模型建立及結(jié)果分析

對站房整體建模，對結(jié)構(gòu)進行有限元計算，模擬分析各溫度荷載工況下模型結(jié)構(gòu)內(nèi)力和截面應(yīng)力，圖4為SAP建立的溫度應(yīng)力荷載分析模型。

圖4 SAP溫度應(yīng)力荷載分析模型

通過SAP有限元分析，得到溫度荷載工況下結(jié)構(gòu)的板面應(yīng)力如圖5所示（只顯示站廳層部分）。

圖5 站廳層樓板溫度應(yīng)力（MPa）

圖5為樓板不同荷載工況下溫度應(yīng)力計算圖示。如圖5所示，板面應(yīng)力分布均勻、連續(xù)變化，靠近框架柱（約束大）應(yīng)力較大，而在周邊應(yīng)力較小。

從圖5可以得出，框架柱附近處的應(yīng)力較大，在樓層邊緣處的溫度應(yīng)力較框架柱的小。原因是框架柱的整體剛度大，樓板降溫收縮受到原混凝土的約束較大，拉應(yīng)力也較大；相反，相對豎向構(gòu)件而言，邊梁的側(cè)向剛度要弱許多，原因是樓層周邊只有邊梁對樓板有約束作用。

樓板產(chǎn)生的溫度應(yīng)力穩(wěn)定在0.3 MPa左右，在框架柱附近，消峰后極限應(yīng)力約為2.5 MPa。由此可見，溫度荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力與混凝土抗拉強度已比較接近，若不采取措施，如加強配置溫度應(yīng)力鋼筋等，混凝土表面會出現(xiàn)開裂，影響結(jié)構(gòu)的外觀和使用性能。

3.溫度鋼筋配置

根據(jù)文獻資料及專家意見得，溫度荷載計算結(jié)果應(yīng)當(dāng)與其它荷載組合分開計算，所得配筋結(jié)果可等效為增量鋼筋附加到原有抗彎設(shè)計的鋼筋量中。

普遍區(qū)域：

站廳層樓板：σ=0.3 MPa，取1 m板寬計算，軸向拉力：

N＝0.3×1000×150＝45 kN

單層單向增加配筋面積：

As＝N/fy/2=45000/360/2=62.5 mm2

本工程可在施工圖階段一層樓板普遍區(qū)域配置溫度鋼筋雙層雙向8@300 mm。

框架柱邊：σ=2.5 MPa，按照一層樓板計算方法，可以得到單層單向增加配筋520 mm2，配置溫度鋼筋雙層雙向10@150mm。

三、減少溫度應(yīng)力措施

根據(jù)模型分析結(jié)果，為了減輕溫度應(yīng)力對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)力和截面應(yīng)力的影響，有效控制裂縫的發(fā)展，可以通過控制溫度條件和改進構(gòu)件約束條件實現(xiàn)。

1.控制溫度措施

（1）改善材料品質(zhì)和骨料級配，采用符合要求的連續(xù)粒級或較大粒度的骨料級配，避免單一粒級。可選用干硬性混凝土減少水泥產(chǎn)生的水化熱，混合料摻適量外加劑減少水泥用量，控制結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部由于溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

（2）控制混凝土的拌和溫度，如采用直接通入冷水，或加入冷卻的碎石等方法。

（3）制定嚴(yán)密的施工組織計劃，確定混凝土構(gòu)件脫模時間，加強養(yǎng)護，采取保溫隔熱措施，有效防止溫度驟變，減少惡劣環(huán)境產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。

（4）熱天對外圍結(jié)構(gòu)隔熱，保證良好的散熱條件，減少澆筑厚度，在寒冷季節(jié)采取保溫措施。

（5）選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)長度和分層厚度，施工中暴露的混凝土澆筑塊表面，增加散熱面積。

2.改進約束條件措施

（1）在結(jié)構(gòu)上盡量減少應(yīng)力集中的布置，合理分縫分塊，變超靜定結(jié)構(gòu)為自由變形結(jié)構(gòu)，以減少約束應(yīng)力；

（2）避免基礎(chǔ)起伏過大；

（3）設(shè)計時可局部斷開或開洞減少約束，超長混凝土板解除部分不必要的約束，或通過其他構(gòu)件處理方式釋放約束，減少溫度應(yīng)力。

此外，為提高混凝土的結(jié)構(gòu)強度，改善混凝土抗裂性能，應(yīng)當(dāng)正確認(rèn)識溫度應(yīng)力產(chǎn)生的原因，并根據(jù)不同原因采取相應(yīng)措施?？梢蕴砑泳哂锌沽烟匦缘睦w維，適量提高配筋率，采用預(yù)應(yīng)力構(gòu)件等途徑提高混凝土的抗裂性能等?？沽牙w維是經(jīng)過特殊工藝技術(shù)生產(chǎn)而成的單絲粗纖維，外形輪廓分明，表面有粗糙的螺紋狀，具有混凝土抗裂特性，如鋼纖維或者聚丙乙烯纖維等?？梢院艽蟪潭忍岣呋炷恋目?jié)B、抗裂和抗沖擊性能，有效抑制混凝土及水泥砂漿早期的收縮裂縫和沉降裂縫，延長超長工程的服役周期，縮減工程維修和加固的成本。

四、結(jié)語

本文綜合考慮影響大型混凝土結(jié)構(gòu)溫度荷載的不同因素，通過某超長站房溫度應(yīng)力分析實例，在夏季和冬季正常情況和施工階段分別分析結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力作用。結(jié)果表明，采用文中采用的溫度應(yīng)力分析方法，可以較準(zhǔn)確地給出國鐵站房超長結(jié)構(gòu)由于溫度變化導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和截面應(yīng)力，根據(jù)模型分析結(jié)構(gòu)提出減少溫度應(yīng)力的措施，可以為施工圖的設(shè)計起到顯著的指導(dǎo)作用。