高寒地區(qū)預應力超長框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力研究與應用

司 航

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300000)

1 工程概況

北方某鐵路車站改造站房工程中，地下城市通廊為國鐵出站的通道兼顧南北市政廣場的過境需求，南北兩側(cè)設(shè)置南北通道連接市政廣場。其中城市通廊48 m寬，為兩柱三跨框架結(jié)構(gòu)，中間跨為24 m(城市通廊)，兩側(cè)為12 m跨度(國鐵出站通道)，通廊長195 m，建筑面積為11 738 m2；南北通道寬度18 m的框涵結(jié)構(gòu)，建筑面積為1 573 m2。

地下城市通廊采用框架結(jié)構(gòu)，頂板為軌道板，橫向(順股道方向)3跨(12 m+24 m+12 m)共48 m，縱向跨度21 m～22 m，結(jié)構(gòu)橫向框架梁采用鋼筋混凝土拱形梁，梁根部高4 000 mm，跨中梁高1 500 mm，拱形矢高2 500 mm，梁寬1 200 mm；縱向框架梁采用預應力鋼筋混凝土拱形梁，梁根部高4 000 mm，跨中梁高2 500 mm，拱形矢高1 500 mm，梁寬1 600 mm。柱為2 000 mm×2 000 mm的矩形鋼筋混凝土柱，側(cè)墻厚900 mm。梁混凝土等級為C45，柱為C50。預應力筋采用1×7標準型15.20高強低松弛預應力鋼絞線(GB/T 5224預應力混凝土用鋼絞線)強度標準值fpk=1 860 N/mm2，抗拉強度設(shè)計值fpy=1 320 N/mm2，抗壓強度設(shè)計值fpy=390 N/mm2，彈性模量Ep=1.95×105N/mm2。

溫度變化作用：僅在城市通廊的結(jié)構(gòu)頂板軌道層考慮溫度變化的作用。結(jié)構(gòu)合龍溫度按(10±5)℃考慮，使用階段溫度變化根據(jù)哈爾濱市地區(qū)實際溫度情況考慮，按照升溫20 ℃、降溫35 ℃。現(xiàn)以北通廊和北通道為例進行分析，見圖1。

2 數(shù)值模擬分析

MIDAS Civil 2015中，采用如下方法分析預應力和溫度荷載：

1)預應力荷載的處理方法為通過施工階段分析，考慮混凝土的收縮徐變，分析預應力束的等效荷載作用，分鋼束一次、鋼束二次查看預應力束產(chǎn)生的內(nèi)力。鋼束一次的內(nèi)力圖是用鋼束預應力等效荷載的大小和位置計算的內(nèi)力(與約束和剛度無關(guān))，即主內(nèi)力圖。鋼束二次的內(nèi)力圖是因超靜定引起的鋼束預應力等效荷載的內(nèi)力(用預應力等效節(jié)點和在考慮約束和剛度后計算的內(nèi)力減去鋼束一次內(nèi)力得到的內(nèi)力)，即次內(nèi)力圖。

2)通過對模型的頂板(軌道板)和站臺板及相應的梁單元施加單元溫度荷載模擬實際使用中的溫度變化。

2.1 模型概述

采用MIDAS/Civil 2015進行全施工階段模擬分析，模型節(jié)點89 921個，單元94 951個。北半部模型如圖2所示。變截面梁如圖3所示。

2.2 參數(shù)選取

C45混凝土：

彈性模量E=3.450 0e+007 kN/m2，泊松比0.2，線脹系數(shù)1.00e-005(1/C)，容重25 kN/m3。

C50混凝土：

彈性模量E=3.550 0e+007 kN/m2，泊松比0.2，線脹系數(shù)1.00e-005(1/C)，容重25 kN/m3。

2.3 施工工況

考慮施工階段及收縮徐變的模型共分五個工況，如表1所示。

表1 施工工況表

2.4 溫度作用分析

2.4.1斷開軌道板的影響

軌道板內(nèi)力對比表見表2。

表2 軌道板內(nèi)力對比表

斷開軌道板可以減小結(jié)構(gòu)整體剛度，降溫收縮可以充分變形，減緩溫度應力的傳遞，減小降溫引起的軸向拉力，對控制裂縫有利。本案例中，軸力可減小400 kN～800 kN(約18%～36%)，彎矩和剪力變化不大。

2.4.2減小邊跨柱子剛度的影響

柱內(nèi)力對比表見表3。

表3 柱內(nèi)力對比表

在滿足正常使用要求的情況下，通過減小邊跨柱子的截面，減小柱子的抗彎剛度，使得其受降溫收縮的影響大大減小，彎矩減小了62%，剪力減小了57%。

2.5 預應力產(chǎn)生的次內(nèi)力結(jié)果及分析

表4 次內(nèi)力對結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的影響

由表4結(jié)果可知，預應力鋼束布置合理，主彎矩能較好的抵消外荷載引起的彎矩；預應力引起的次應力的影響較大，不可忽略；次應力的存在對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不利影響，這主要是因為本例中梁跨度大，為考慮預應力損失等因素的影響，預應力鋼束分段布置，導致了預應力對相鄰跨的不利影響；變截面弧形梁較好地控制了梁撓度，張拉預應力鋼束使梁的位移進一步減小。

3 結(jié)語

1)溫度作用對結(jié)構(gòu)內(nèi)力有重要影響，本例中遵循“抗放兼顧、先放后抗、以抗為主”的原則，采取了施加預應力，改變結(jié)構(gòu)和約束剛度，設(shè)置后澆帶等措施；

2)通過斷開軌道板，調(diào)整板的整體剛度，降溫收縮時使結(jié)構(gòu)可以適當變形以減小溫度作用的影響；

3)通常超長結(jié)構(gòu)邊跨溫度應力小，但位移較大，這可能導致框架柱的變形或內(nèi)力過大。本例通過改變邊柱的抗彎剛度，增加了柱子柔性，降溫收縮時，適當?shù)淖冃螠p小了柱子內(nèi)力，使設(shè)計更合理；

4)預應力引起的次彎矩對結(jié)構(gòu)內(nèi)力會產(chǎn)生重要影響。次彎矩對結(jié)構(gòu)有利或有弊需具體分析，一般情況下，通長布置預應力筋時，次彎矩對結(jié)構(gòu)有利；而分段布置的預應力筋會增加結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生不利影響，還需計算確定；

5)本例分析了預應力變截面梁的次內(nèi)力和溫度作用對整個框架結(jié)構(gòu)的影響，保證了結(jié)構(gòu)強度和正常使用，為今后類似工程的設(shè)計提供了參考。

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