深圳北站超長結(jié)構(gòu)溫差收縮效應(yīng)分析★

馮葉文 吳 兵 孟美莉 傅學(xué)怡

(深圳大學(xué)建筑設(shè)計研究院，廣東深圳 518060)

0 引言

當(dāng)前國內(nèi)外建筑功能需求和結(jié)構(gòu)體系設(shè)計日益復(fù)雜，特別在車站、機場及體育場館中，常出現(xiàn)體形超長且平面布置復(fù)雜的情況，對溫差收縮效應(yīng)的影響較為敏感，如計算分析、設(shè)計或施工構(gòu)造措施不當(dāng)時，容易引起混凝土裂縫、鋼結(jié)構(gòu)伸縮過大，且不易修復(fù)，不僅影響建筑的使用功能，更會引起整體結(jié)構(gòu)較大的安全隱患。目前，國內(nèi)外設(shè)計規(guī)范中針對混凝土結(jié)構(gòu)的溫差效應(yīng)大多僅提出控制構(gòu)造措施，未給出更為合理可行的模擬分析方法;目前結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域中常用的計算模型及方法存在算法粗略、約束條件有誤、不能合理反映結(jié)構(gòu)生成過程等問題，難以準確地揭示和解決超長結(jié)構(gòu)溫差收縮效應(yīng)的作用規(guī)律及存在問題，無法適應(yīng)日益增加的超長、復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計施工需要。本文結(jié)合深圳火車北站超長建筑工程，參考文獻［1］所提到的分析計算方法，對其進行了詳盡的溫差收縮計算分析，并根據(jù)計算結(jié)果指導(dǎo)了設(shè)計和施工。

1 工程概況

深圳火車北站由站房建筑及兩側(cè)的無柱站臺雨棚組成。其中站房總高度43 m，2層，由站房下部結(jié)構(gòu)和上部鋼屋蓋組成。站房下部結(jié)構(gòu)東西垂直股道方向為340 m，南北順股道方向長度為207 m，面積約為7萬m2。采用鋼管混凝土柱與鋼—混凝土樓板組合梁框架結(jié)構(gòu)體系，局部設(shè)矩形鋼管混凝土空心柱。標準柱距43 m，27 m，站房上部鋼屋蓋結(jié)構(gòu)平面尺寸:413 m×208 m，覆蓋面積約8．35萬m2，結(jié)合建筑造型，采用“上平下曲”的雙層雙向空間桁架構(gòu)成，見圖1。

圖1 深圳北站示意圖

站房結(jié)構(gòu)長度超過300 m，屋蓋長度超過400 m，不設(shè)永久縫，對于這種超長大型公共建筑，溫差效應(yīng)較為明顯，本文采用文獻［1］的計算方法，對其進行了結(jié)構(gòu)溫差收縮效應(yīng)的整體有限元計算分析。

2 結(jié)構(gòu)溫差效應(yīng)計算要點

結(jié)合工程當(dāng)?shù)貧夂驐l件，為針對性地控制并有效減小該超長結(jié)構(gòu)的溫差收縮效應(yīng)，在溫差收縮效應(yīng)計算分析中涉及施工控制過程中采用以下基本分析要點:1)設(shè)置施工后澆帶，并在后澆帶合龍時采用高一強度等級的混凝土低溫入模;2)根據(jù)實際施工進度計劃模擬較不利負溫差影響規(guī)律，計及含后澆帶結(jié)構(gòu)建造生成全過程的施工模擬及相應(yīng)的實際溫差變化情況;3)溫差效應(yīng)與徐變、收縮等其他非荷載效應(yīng)始終相輔相成，且都與時間密切相關(guān)，因此溫差效應(yīng)分析中需同時考慮混凝土實際的徐變收縮時效特性，選擇適宜的反映混凝土徐變、收縮性質(zhì)的計算模型;4)分析時應(yīng)摒棄基礎(chǔ)固定端或不動鉸假定，考慮地基或樁基的有限約束剛度;5)本工程樓蓋采用H型鋼梁組合樓板，鋼梁與混凝土之間通過栓釘連接，分析時考慮栓釘和混凝土板的滑移微應(yīng)變導(dǎo)致的松弛效應(yīng)。計算采用大型通用軟件SAP2000，溫差效應(yīng)計算模型見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)溫差效應(yīng)計算模型

2．1 溫差取值

一般來說，溫差分為兩類，一類為局部溫差，指的是構(gòu)件自身內(nèi)外表面的溫差;另一類為整體溫差，指構(gòu)件所在溫度場的溫度變化。

對于結(jié)構(gòu)的局部溫差，在構(gòu)件施工期間、受太陽直接輻射時較為明顯，但由于在鋼結(jié)構(gòu)施工階段，未覆蓋屋面板，鋼結(jié)構(gòu)大都僅承擔(dān)結(jié)構(gòu)自重，疊加局部溫差應(yīng)力后鋼結(jié)構(gòu)仍有足夠的安全儲備，覆蓋屋面板后，避免了太陽的直接輻射，構(gòu)件局部溫差大大減小，故局部溫差對結(jié)構(gòu)影響較小，可不予考慮。本工程所討論的溫差效應(yīng)指的均為整體溫差。

本工程溫差收縮效應(yīng)計算分析，考慮了建筑結(jié)構(gòu)施工直至建筑物的使用階段，整體溫差的取值計算采用的是工程所在地深圳市的氣象統(tǒng)計材料，見表1。

表1 氣象統(tǒng)計資料(深圳地區(qū)) ℃

本工程溫差計算考慮了建筑物所經(jīng)歷的2個主要階段:1)施工階段:溫差=經(jīng)歷月最高(最低)氣溫?合龍溫度，在沒有別的可靠施工計劃或?qū)嶋H檢測結(jié)果時，合龍溫度一般取當(dāng)月平均氣溫;2)使用階段:整體溫差=結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用溫度－合龍溫度。

一般來說，溫差計算需考慮結(jié)構(gòu)負溫差和正溫差，其中，由于負溫差和混凝土收縮效應(yīng)的變形趨勢一致，兩者疊加，對結(jié)構(gòu)的受拉及混凝土的開裂更加不利，故本工程溫差效應(yīng)計算中主要考慮的是負溫差工況(以下也僅列出負溫差工況計算分析結(jié)果)。施工階段(含主體結(jié)構(gòu)施工及裝修施工)，負溫差取值假設(shè)施工從溫度最高的7月(由表1可知)開始，由于結(jié)構(gòu)規(guī)模較大，結(jié)合施工計劃，假定1層結(jié)構(gòu)施工工期6個月，屋蓋結(jié)構(gòu)施工工期6個月，結(jié)構(gòu)在混凝土早期收縮最大時先經(jīng)歷降溫，為最不利的負溫差工況;建筑物使用階段，由于屋面板的保溫隔熱、周邊玻璃幕墻及室內(nèi)空調(diào)的有利影響，溫差變化較施工階段趨向平緩，同時，混凝土的收縮效應(yīng)已完成大部分，考慮混凝土徐變有利影響，使用階段溫差收縮效應(yīng)不起控制作用。

2．2 基礎(chǔ)有限約束剛度計算

溫差收縮效應(yīng)作為結(jié)構(gòu)非荷載效應(yīng)的一種，與荷載效應(yīng)不同，所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)內(nèi)力來源于結(jié)構(gòu)溫差收縮變形受到外界的約束。對于建筑結(jié)構(gòu)，其約束即為建筑物豎向構(gòu)件的基礎(chǔ)。荷載效應(yīng)計算時，基礎(chǔ)大多被看做建筑物的嵌固端，即約束剛度無窮大。而實際上，基礎(chǔ)約束剛度來源于周邊地基，地基受力，會產(chǎn)生變形，地基對豎向構(gòu)件的約束作用是有限的。基礎(chǔ)約束剛度無限剛的假定對荷載效應(yīng)計算帶來的誤差不大，但在非荷載效應(yīng)計算中，把豎向構(gòu)件基礎(chǔ)約束剛度夸大為無限剛，會導(dǎo)致溫差收縮效應(yīng)的人為放大，對溫差收縮效應(yīng)影響極大。故參照文獻［1］所建議的方法，在溫差收縮效應(yīng)分析中根據(jù)建筑物地基基礎(chǔ)的實際情況計算地基基礎(chǔ)的約束剛度，用有限剛度的彈簧代替無限剛度的固定端，如圖3所示。

圖3 固定端和彈簧約束示意圖

本工程無地下室，且由于標準柱距43 m×27 m，僅局部設(shè)有地梁。當(dāng)采用一柱多樁，以平衡柱底彎矩，柱下樁基水平抗側(cè)剛度取各單樁水平剛度之和，轉(zhuǎn)動約束剛度取各單樁約束剛度之和，同時疊加樁豎向剛度、承臺剛度的影響，并考慮承臺微裂縫剛度退化進行折減。

2．3 混凝土徐變、收縮

本項目參考歐洲混凝土規(guī)范“CEB-FIP MODEL CODE 1990”，溫差效應(yīng)計算時同時考慮混凝土自身的徐變、收縮效應(yīng)，結(jié)合施工工期安排，計算時間取18個月。而目前，混凝土構(gòu)件的徐變、收縮的計算理論基本都是基于一維桿件單元，對于二維的板、殼元及三維的實體單元的徐變、收縮的計算均缺少理論依據(jù)，故本工程計算時，用一維的梁元代替二維的樓板，等代示意圖見圖4。

圖4 等代梁等代示意圖

2．4 后澆帶布置及鋼梁后澆帶構(gòu)造

本工程雙向設(shè)置后澆帶，以減少混凝土材料的收縮應(yīng)變以及溫差效應(yīng)。后澆帶可以釋放早期混凝土收縮應(yīng)力，有效減小結(jié)構(gòu)的溫差收縮效應(yīng)。后澆帶的布置結(jié)合施工組織確定，間距約為30 m～50 m。結(jié)構(gòu)后澆帶沿柱邊兩側(cè)留設(shè)。后澆帶布置如圖5所示。

后澆帶處混凝土后澆，鋼梁設(shè)月牙螺孔定位螺栓，傳遞豎向剪力，允許水平相對滑動，釋放施工期間溫度收縮應(yīng)力，見圖6。

2．5 含后澆帶的施工模擬

本工程主要由下部鋼梁—混凝土板組合樓蓋與上部鋼結(jié)構(gòu)屋蓋構(gòu)成，工程體量較大，結(jié)合施工工期安排，設(shè)一層結(jié)構(gòu)施工半年，二層結(jié)構(gòu)施工半年，進入裝修期第一個月封閉一層結(jié)構(gòu)的所有后澆帶，上部屋蓋鋼結(jié)構(gòu)不設(shè)后澆帶。

圖5 后澆帶布置圖

圖6 后澆帶處月牙孔設(shè)置示意圖

結(jié)合施工和后澆帶布置，對整體結(jié)構(gòu)進行了完整的施工模擬溫差效應(yīng)計算分析。假設(shè)本工程施工從溫度最高的7月開始，剛好是最不利負溫差工況;主體結(jié)構(gòu)施工一年，裝修時間為20個月。施工模擬計算簡圖見圖7。

圖7 含后澆帶模型施工模擬計算簡圖

2．6 組合結(jié)構(gòu)梁、板連接松弛效應(yīng)

組合樓蓋中鋼梁、混凝土板之間一般均采用栓釘進行柔性的抗剪連接，溫差收縮效應(yīng)下，鋼梁栓釘和混凝土之間存在相對變形。由于溫差收縮效應(yīng)主要來自于變形約束，栓釘和混凝土板之間相對微應(yīng)變對荷載效應(yīng)影響不大，但可釋放溫差收縮效應(yīng)。本工程溫差收縮效應(yīng)計算時，根據(jù)栓釘?shù)膶嶋H布置計算考慮組合結(jié)構(gòu)中鋼梁、混凝土板的連接栓釘與混凝土之間的相對微應(yīng)變松弛效應(yīng)。

3 主要計算結(jié)果分析

選取典型結(jié)構(gòu)(⑤軸，?軸)構(gòu)件的溫差效應(yīng)計算結(jié)果進行分析(見圖8)，同時經(jīng)對比分析，正溫工況不起控制作用，故以下僅討論負溫差作用下的結(jié)果。

圖8 所選取的位置示意圖

3．1 鋼管柱計算分析結(jié)果

圖9 裝修結(jié)束時⑤軸框架柱剪力V33圖（單位：kN）

圖10 裝修結(jié)束時⑤軸框架柱彎矩M 22圖（單位：kN·m）

圖11 裝修結(jié)束時?軸框架柱剪力V22圖（單位：kN）

圖12 裝修結(jié)束時?軸框架柱彎矩M 33圖（單位：kN·m）

表2 ⑤軸，?軸鋼梁計算結(jié)果

整個負溫差計算歷程中，柱最大彎矩出現(xiàn)在最外側(cè)、截面為2 500×4 000的鋼管混凝土柱上，最大彎矩5 806 kN·m，所對應(yīng)的最大應(yīng)力為0．94 N/mm2，最大剪力1 622 kN，對應(yīng)的最大剪應(yīng)力為τ≈0．31 N/mm2。對于圓鋼管柱，其溫差內(nèi)力最大值出現(xiàn)在?軸，最大彎矩2 518 kN·m，最大剪力為1 360 kN，對應(yīng)的最大正應(yīng)力17 N/mm2，最大剪應(yīng)力 τ≈3．63 N/mm2。

可見，相對于Q345B的屈服強度295 N/mm2，附加溫度應(yīng)力水平較低，對結(jié)構(gòu)安全度影響不大。

鋼管柱計算分析結(jié)果見圖9～圖12。

3．2 下部樓蓋梁內(nèi)力計算結(jié)果

表3 ⑤軸，?軸混凝土等代梁計算結(jié)果

從表2，表3可以看出，后澆帶的設(shè)置有效地減小了樓蓋的溫差收縮應(yīng)力，鋼梁附加溫差收縮應(yīng)力占總應(yīng)力的5%以內(nèi)，混凝土附加溫差收縮應(yīng)力均小于2 MPa。本工程計算分析考慮施工階段采用有溫差收縮效應(yīng)參與的多工況、多組合進行，并考慮后澆帶合龍后溫差作用及混凝土后期收縮效應(yīng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計對部分柱及局部混凝土樓板等溫差收縮效應(yīng)敏感構(gòu)件予以加強。

4 屋蓋鋼構(gòu)件設(shè)計結(jié)果

溫差單工況作用下，屋蓋鋼構(gòu)件的應(yīng)力比分布見圖13，考慮溫差作用的最不利組合工況下鋼構(gòu)件的應(yīng)力比分布見圖14，可以看出，溫差單工況作用下，屋蓋鋼構(gòu)件最大應(yīng)力比為0．16，大約有總數(shù)8．8%的桿件應(yīng)力比在0．1～0．2之間，其余桿件應(yīng)力比均小于0．1;考慮溫差收縮效應(yīng)的各種組合工況下，約有650根鋼構(gòu)件應(yīng)力比在0．7～0．9之間，約占總數(shù)的3%，其余桿件應(yīng)力比均在0．7以下，可見，結(jié)構(gòu)在考慮溫差效應(yīng)的荷載組合作用下能基本滿足承載力要求。對其中個別應(yīng)力比接近0．9的桿件，壁厚適當(dāng)加大，控制其最終的應(yīng)力比小于0．85。

5 針對性的施工及構(gòu)造措施

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除了對整體溫差收縮分析計算所得到的受力不利或局部溫差應(yīng)力集中部位予以配筋加強外，還采取了以下的一些施工針對性控制或構(gòu)造措施:

1)混凝土低溫澆筑:控制在當(dāng)時月平均氣溫以下入模。結(jié)合施工計劃及當(dāng)?shù)貧庀髼l件，控制混凝土在較低溫度(月平均氣溫以下)下入模;2)充分利用混凝土60 d齡期后強度，有效改善材料配合比，減少水泥用量，減小水灰比，從根本上控制混凝土材料的收縮效應(yīng);3)混凝土后澆帶滯后封閉:主體結(jié)構(gòu)施工完，進入裝修期后選低溫月進行合龍，以避免經(jīng)歷較為不利的降溫過程，且后澆帶采用高一強度等級的無收縮混凝土;4)樓板配筋構(gòu)造措施:樓板適當(dāng)加厚至180 mm，采用雙層雙向貫通鋼筋+附加支座短筋的配筋方式，通長板筋配筋率不小于0．3%;樓蓋中部1/3長(寬)范圍內(nèi)另行配置溫度附加板筋內(nèi)所配置的溫度。

圖14 最不利組合下桿件應(yīng)力比（最大應(yīng)力比0.8）

6 結(jié)語

根據(jù)對深圳北站超長結(jié)構(gòu)的溫差收縮效應(yīng)的計算分析，可有以下幾點結(jié)論:

1)對于超長結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用當(dāng)?shù)氐臍鉁亟y(tǒng)計資料，結(jié)合施工模擬對整體結(jié)構(gòu)進行溫差收縮效應(yīng)的有限元模擬計算。

2)針對性的施工控制及構(gòu)造性措施，可有效的減小溫差收縮效應(yīng)，有效保證超長結(jié)構(gòu)的施工順利進行，并確保在溫差作用下結(jié)構(gòu)所受不利影響始終處于合理可控范圍內(nèi)。

3)從結(jié)構(gòu)的開始施工、主體竣工及投入使用至今，深圳北站已經(jīng)歷了4年的溫差作用周期，結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)溫差裂縫，正常工作。

［1］ 傅學(xué)怡，吳 兵．混凝土結(jié)構(gòu)溫差收縮效應(yīng)分析計算［J］．土木工程學(xué)報，2007(10):73-74．

［2］ CEB-FIPMC90 Model Code，混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范［S］．

［3］ GB 50012-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．

［4］ JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．