統景站站房溫度應力分析

胡宏駿

摘? 要：統景站站房平面布置整體呈現“凹”字形，在水平方向上形成超長結構體系。針對站房結構，分析了從施工到正常使用過程中受到的溫度作用特點，利用MIDAS/Gen進行了溫度應力計算分析。結果表明，在溫度荷載作用下，結構平面布置因整體呈現“凹”字形，有效釋放了溫度應力，混凝土抗拉強度能夠有效抵抗溫度應力;“凹”字形平面內側拐角位置框架柱剛度大，對樓板約束作用強，產生了溫度應力集中現象，應力峰值達到6.2MPa，應合理配置附加溫度鋼筋，并給出了配筋計算式。

關鍵詞：超長結構;“凹”字形平面;溫度應力;MIDAS/Gen

中圖分類號：TU375 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）21-0049-03

Abstract： The layout of the Tongjing Station presents a "concave" shape， forming an ultra-long structure in the horizontal direction. This paper analyzes the temperature action characteristics of the structure from construction to normal use， and uses MIDAS/Gen to analyze the temperature stress. The results show that under the action of temperature load， the plane layout of the structure presents a "concave" shape plane， effectively releasing the temperature stress， and the tensile strength of concrete can effectively resist the temperature stress. The stiffness of the frame column at the inner corner of the "concave" shape plane is large and it exerts strong constraint on the floor， resulting in the phenomenon of temperature stress concentration， which the stress peak reaches 6.2MPa. Finally， the calculation formula of reinforcement is given.

Keywords： ultra-long structure; a "concave" shape plane; temperature stress; MIDAS/Gen

引言

近年來，快又好的鐵路建設拉動了地方區域經濟的蓬勃發展，業主也對站房建設提出了更高標準的設計要求。出于整體性方面的考慮，站房將進站大廳、附屬用房、站臺風雨棚等合建。這樣的建筑方式避開了傳統意義上通過設置伸縮縫來劃分建筑單元的設計思想，提高了站房舒適性，但也造成站房在水平面上容易形成超長結構體系，溫度應力問題較為突出，為結構設計帶來挑戰。為了預測溫度應力對這類站房結構造成的影響，本文以重慶市統景站站房為例，利用MIDAS/Gen對站房結構進行了溫度應力模擬計算，分析了計算結果，并給出了合理化建議，為這類站房結構施工圖設計提供了一定的參考。

1 工程概況

重慶鐵路樞紐東環線線路總長260km，全線新建統景站、珞璜東站、東港站、南彭站、郭家站等5座車站。各站房均為單層，屋面層標高6.9m，建筑面積2500m2，抗震設防類別丙類，框架結構，抗震設防烈度6度（0.05g），設計地震分組第一組。各站房均將進站大廳、附屬用房、站臺風雨棚合建，造成站房在水平方向上形成超長結構體系，平面布置呈現“凹”字形，不滿足規范[1]8.1.1條“現澆式框架結構伸縮縫間距不超過55m”要求。為了預測溫度應力對這類站房結構造成的影響，本文以統景站站房為例，效果如圖1，采用有限元軟件MIDAS/Gen對其進行溫度應力計算分析。

2 建模計算及結果分析

2.1 溫度荷載確定

在混凝土超長結構的計算分析中，溫度荷載主要考慮季節溫差、混凝土收縮當量溫差。

2.1.1 季節溫差

混凝土抗拉能力遠小于抗壓能力，降溫作用產生的拉應力是超長混凝土結構裂縫開裂的重要原因，本文主要研究降溫對混凝土結構產生的影響。規范[2]采用估算法確定結構的季節溫差，溫度荷載作用標準值計算公式：

△Tk=Ts，min-T0，max? ? ? ? （1）

式中，△Tk-均勻溫度作用標準值，單位（℃）;Ts，min-結構最低平均溫度，單位（℃）;T0，max-結構最高初始平均溫度，單位（℃）。

本文查閱重慶市氣象局提供2009～2019年重慶市氣溫數據，得到2009～2019年重慶市月平均氣溫變化，如圖2。根據圖2得到結構最高初始平均溫度T0，max出現在夏季（6～8月），T0，max為29℃。當站房在使用階段，考慮到屋面、墻體設置有隔熱保溫層，室內亦有空調設備，環境溫度一般為26±5℃，得到結構在使用階段最低平均溫度Ts，min1為21℃。當站房在施工階段，結構長期暴露在室外，平均溫度在年平均溫度8～30℃范圍內，得到結構在施工階段最低平均溫度Ts，min2為8℃。綜上所述，據公式（1）確定結構最大降溫△Tk=Ts，min-T0，max=MIN（Ts，min1，Ts，min2）-T0，max=8-29=-21℃。

2.1.2 混凝土收縮當量溫差

混凝土收縮是混凝土材料固有的時效屬性，收縮產生的拉應力亦是引起超長混凝土結構產生裂縫的重要原因。在工程實踐中，一般會對超長混凝土結構設置后澆帶，待混凝土澆筑60d以后再進行后澆帶封閉施工，這應計入后澆帶設置對混凝土收縮時產生的有利影響[3-4]。本文將混凝土后澆帶封閉施工后剩余的混凝土收縮量換算成等效的降溫溫差△Ts，來考慮混凝土收縮對結構的影響，計算公式：

△Ts=-△εy/α? ? ? ? ? ? （2）

△εy=εy（t）-ε（∞）? ? ? ? ? （3）

εy（t）=ε（∞）·（1-e-0.01t）? ? ? ? ? ? ? （4）

ε（∞）=ε0（∞）·M1·M2·M3·……·Mn? （5）

式中，△Ts-混凝土收縮當量溫差，單位（℃）;△εy-某時間段內混凝土發生的收縮應變;α-混凝土線膨脹系數，單位（1/℃），取值1×10-5（1/℃）;εy（t）-某時刻混凝土收縮應變;t-混凝土澆筑后的天數，單位（d）;ε（∞）-某施工條件下混凝土最終收縮應變;ε0（∞）-標準狀態混凝土最大收縮應變，取值3.24×10-4;Mi-混凝土在各項影響因素下的修正系數，見表1。

本工程在結構平面上設置了兩條沿Y方向的混凝土伸縮后澆帶，待混凝土澆筑60d以后，對后澆帶進行封閉施工。據式（2）～（5），得到△εy=εy（∞）-εy（60）=1.53×-10-4-3.4×10-4=-1.87×10-4，混凝土收縮當量溫差△Ts為-18.7℃。

2.1.3 徐變系數

混凝土徐變是隨著時間緩慢發展的，引起的溫度應力松弛可以提高混凝土極限變形能力，造成結構實際產生的溫度應力遠小于其在分析模型中施加溫度荷載后的彈性分析結果，因此應充分考慮徐變對結構溫度應力產生的影響。本文對混凝土徐變系數Ψ[3-4]取值0.3。

2.2 模型建立

站房將進站大廳、附屬用房、站臺風雨棚合建，造成站房在X水平方向形成超長結構，平面布置呈現“凹”字形，平面尺寸為96m×40m，MIDAS/Gen分析模型如圖3，設計參數如下：（1）考慮框架梁柱、板在溫度荷載作用下產生的應力，不考慮隔墻對結構的影響。（2）框架梁柱采用梁單元（beam element），板采用板單元（plate element）。（3）框架梁柱、板混凝土強度等級為C30，彈性模量Ec=3×104MPa，線膨脹系數為1×10-5（1/℃）;結構鋼筋采用HRB400，強度設計值fy=360MPa。（4）框架梁柱截面尺寸滿足設計和使用要求，板厚度為120mm。（5）向結構施加的溫度荷載值：季節溫差+混凝土收縮當量溫差=（-21）+（-18.7）=-39.7℃。

2.3 分析結果

在MIDAS/Gen中，對站房結構模型施加溫度荷載（-39.7℃），進行有限元分析，得到屋面板X方向應力圖4、Y方向應力圖5。

圖4、圖5中屋面板普遍區域溫度應力分布均衡，單位寬度板拉應力在0.1～1.2MPa之間，遠小于板混凝土抗拉強度標準值2.01MPa。從結構整體上看，結構平面布置呈現“凹”字形，這樣的布置方式極大地削弱了框架梁柱對板的約束作用，讓板的溫度應力得以有效釋放，導致板的溫度拉應力較小。屋面板普遍區域溫度荷載作用效果不明顯，混凝土抗拉能力足以抵抗溫度應力。

圖4、圖5中屋面板向內凹的拐角位置溫度拉應力出現了峰值，達到6.2MPa，但是其周邊區域拉應力迅速下降到1.2MPa以內。內凹拐角位置框架柱截面尺寸達到0.8m×1.5m，這對樓板起到了極大約束作用。板拐角位置出現了應力集中現象，應配置附加溫度放射筋，以抵抗溫度荷載對結構產生的影響，防止屋面板出現開裂，影響結構美觀和使用。

2.4 溫度鋼筋配置

本文將屋面板當作全截面受拉構件，計算降溫工況下單位寬度板單元單層單向附加溫度鋼筋，計算公式：

As=γQ·（σ·A）·Ψ/fy/2? ?（6）

式中，γQ-溫度荷載分項系數，取值1.5;σ-單位寬度板單元拉應力，單位（MPa）;A-單位寬度板單元截面尺寸，單位（mm2），取值120×1000mm2;Ψ-徐變系數，取值0.3;fy-鋼筋抗拉強度設計值，單位（MPa），取值360MPa（HRB400鋼筋）。

屋面板內凹拐角位置板拉應力為6.2MPa，據公式（6）得到單位寬度板單元單層單項配筋計算值為465mm2，在施工圖設計中為該區域實際配置附加溫度應力鋼筋為雙層雙向? 10@150。

3 結論

本文以統景站站房工程為例，分析了結構從施工到正常使用過程中可能受到的溫度作用特點，經過MIDAS/Gen溫度應力計算分析，研究了溫度荷載對結構產生的影響，得到如下結論：（1）站房結構平面布置整體呈現“凹”字形，這樣的平面布置方式有效釋放了溫度應力，板拉應力普遍在0.1～1.2MPa之間，混凝土強度足以抵抗溫度應力。（2）屋面板內凹拐角位置的框架柱對板起到了極大約束作用，產生了溫度應力集中現象，板拉應力峰值達到6.2MPa，應合理配置附加溫度鋼筋以抵抗溫度應力。（3）將板當作全截面受拉構件，給出了單位寬度板單元配筋計算公式，以屋面板內凹拐角位置板為例進行了附加溫度鋼筋設計，為這類站房結構施工圖設計提供一定的參考。

參考文獻：

[1]GB50010-2010.混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社（2015年版），2010.

[2]GB50009-2012.建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3]王鐵夢.建筑物的裂縫控制[M].北京：中國科技出版社，1987.

[4]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業出版社，1997.