深圳地铁8号线高架车站结构温控防裂研究

李冰成

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，广东深圳　518052)



深圳地铁8号线高架车站结构温控防裂研究

李冰成

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，广东深圳518052)

摘要:以深圳市地铁8号线高架车站工程为例，论述了温度应力形成的三个阶段及类型，分析了温度裂缝产生的原因，通过对高架车站结构在温度荷载下的有限元分析，从设计与施工两方面，提出了高架车站结构的温控防裂措施，为类似问题的研究提供了参考。

关键词:高架车站，大悬臂墩柱结构，温度应力

1　工程概况

深圳市地铁8号线起点位于盐田区盐田站，终点位于葵涌站，全程32．33 km，其中高架约19 km，地下段约2．6 km，全程预设站点12个，其中高架站11座，大多数为高架三层侧式“建—桥合一”结构。

标准高架侧式车站［1］位于路中，其结构采用独柱墩二层盖梁框架结构体系，车站长126 m，根据功能划分，车站结构主要由首层(架空层)、2层(站厅层)、3层(站台夹层)及顶层(站台层)组成。除顶层采用钢结构外，首层、2层(站厅层)、3层(站台层)均采用C40钢筋混凝土结构。标准高架侧式车站结构断面如图1所示。对称双悬臂上盖梁承受站台层楼面，轨道梁，站台梁及车站钢雨棚荷载，悬臂长度约10 m。下盖梁主要承受站厅层楼面荷载及外立面装修荷载，悬臂长度约10 m。

图1　标准高架侧式车站结构断面图

2　温度应力与温度裂缝

2．1温度应力的产生

高架车站结构中温度应力的形成过程主要可以分成三个阶段:

1)从浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束的早期阶段。

2)从水泥放热基本结束至混凝土冷却到稳定温度时的中期阶段。

3)混凝土完全冷却以后的运营过程中的晚期阶段。

根据高架车站温度应力引起的原因，可以将温度应力分为两类:

1)由于高架车站结构本身互相约束而出现的自生应力。

2)在高架车站结构部分边界受到外界的约束而引起的约束应力。

2．2温度裂缝的形成

造成高架车站结构温度变形的温差有三种:1)季节温差; 2)内外温差;3)日照温差。在配有钢筋的高架车站混凝土梁板构件中，钢筋和混凝土具有几乎相同的温度膨胀系数，但在混凝土收缩时，两者变形不协调，从而在钢筋中产生附加压力，在混凝土中产生附加拉应力，混凝土抗拉承载力较低，从而导致混凝土表面开裂。

3　车站结构设计

3．1加大端柱的计算长度

通过有限元分析得出了温升工况下不同墩柱的顺桥向弯矩的温度内力。从图2中可以看出，距离车站中心越远的墩柱顺桥向弯矩越大。这是因为高架车站结构的温度发生变化时，车站整体会发生顺桥向的温度变形，距离车站中心越远，端柱的顺桥向挠曲也越大，从而顺桥向弯矩也越大，因此车站结构端柱受温度荷载影响最大。当加大端柱的计算长度时，端柱的顺桥向挠曲曲率就相应减少，从而顺桥向弯矩也变小。对端柱计算长度不同的车站结构进行温度上升20℃下的有限元计算，得出了不同的端柱顺桥向弯矩，如图3所示，可以看出加大端柱的计算长度能降低温度应力对墩柱的影响。

图2　温升工况下各墩柱的顺桥向弯矩

图3　不同边柱长度时顺桥向弯矩

3．2设伸缩缝改变框架长度

《混规》规定露天现浇式钢筋混凝土框架结构的伸缩缝的最大间距为35 m。在高架车站结构设计时，结合有限元分析结果如图4所示，在车站中部设置一处伸缩缝，将车站分成63 m长的两联结构，相对于纵向不设缝的结构，车站结构构件受温度荷载影响大大降低。但是高架车站伸缩缝的设置造成结构配筋困难、影响高架车站的建筑功能要求和防水需要、使车站在高阶振型时会有相对震动与相对位移。如果建筑等相关专业为车站结构布置创造条件，在长度超过120 m的高架车站结构设计中，设置120 mm的伸缩缝可以避免碰撞并降低墩柱温度应力［2］。

图4　不同超静定联长时端柱的内力

3．3墩柱尺寸

车站墩柱尺寸的大小不仅仅关系到工程量的大小，也影响到车站整体结构的内力分配是否合理，加大墩柱的截面面积能够有效提高墩柱本身的承载能力和结构刚度，但同时因为墩柱刚度的增加，从而导致墩柱中温度次内力的增加。对墩柱截面尺寸不同的结构对比分析得出，通过减小墩柱的纵桥向尺寸可有效降低墩柱温度应力的作用，而墩柱横向尺寸对温度应力影响较小。考虑到墩顶位移控制以及盖梁的内力不受温度影响，盖梁的断面尺寸决定了墩柱的构造尺寸，即墩柱的尺寸不能过小。

3．4墩柱预偏心设置

通过有限元分析发现，温度效应中的整体降温和混凝土的收缩效应叠加的效果对车站两端部的墩柱设计效应最为显著，降温和混凝土收缩的综合效应都是使墩柱向车站中心弯曲。为了减小该弯矩对车站结构端柱的不利影响，设计中考虑将端柱向车站外侧设置预偏心，且预偏心的设置不能过大，因为车站在整体升温工况作用下，车站墩柱是向外侧弯曲的，因此偏心的设置必需要找到一个平衡点，该平衡点的设置原则是使车站基础顺桥向基顶弯矩在两个方向数值大致相等。通过计算比较，当端柱长度为9．5 m时，墩柱向外侧设置5 cm的预偏心较合适。整体降温下边墩墩底纵向弯矩见图5。

图5　整体降温下边墩墩底纵向弯矩

4　车站结构施工

为了降低温度荷载对高架车站结构的影响，控制温度裂缝，在高架车站结构施工时，采用设置后浇带以及控制混凝土质量等措施。

4．1设置后浇带

多次超静定的高架车站结构，联长太长，混凝土收缩、徐变也会和温度荷载一起对结构产生影响。沿高架车车站纵向每50 m设置一道后浇带，待主体结构完成后50 d左右，采用微膨胀混凝土浇筑后浇带，一部分收缩、徐变就会在结构合龙以前发生，从而减小收缩对结构的影响，降低混凝土收缩、徐变和温度荷载的叠加作用。但是后浇带只能解决混凝土结硬时的收缩应力问题，并不能解决温度应力问题。

4．2控制混凝土质量

控制混凝土质量方面采取以下措施:

1)通过使用高效减水剂或者选用粉煤灰作为掺合料;

2)选用级配良好骨料，优化混凝土的配合比，严格控制混凝土拌合物的泌水率、坍落度、粘聚性等性能;

3)使用聚丙烯纤维，增强混凝土抗裂强度［3］。

4．3控制混凝土施工过程

混凝土的施工过程采取以下措施:

1)控制混凝土的出机温度，夏季时为防止太阳直射，可以在搅拌站的砂、石堆场设置遮阳棚。

2)控制混凝土浇筑温度，施工现场由专人测量混凝土的出车温度，在混凝土输送管上喷洒冷水，或用草袋遮挡阳光［3］。

5　结语

为了降低温度效应，本文对高架车站结构设计提出几点建议:

1)适当加大端柱的计算长度;

2)设置120 mm的伸缩缝;

3)减小墩柱的纵桥向尺寸，设计时选择合理的墩柱截面大小。文中还提出了高架车站施工时的一些建议。

参考文献:

［1］杨开屏．双层独柱式高架车站结构设计［J］．都市快轨交通，2009(10):50-51．

［2］赵进．城市轨道交通高架车站变形缝设置的探讨［J］．现代城市轨道交通，2014(2):7-9．

［3］罗巧玲．大体积混凝土梁施工中的温度监测与裂缝控制［J］．广东建材，2005(7):28-29．

Study on temperature and crack controlling of elevated station structure of Shenzhen Rail Transit Line 8

Li Bingcheng
(Railway 3rd Survey＆Design Institute Group Co．，Ltd，Shenzhen 518052，China)

Abstract:The paper takes the elevated station structure of Shenzhen Rail Transit Line 8 as the example，indicates the reasons for the temperature stress and cracks in the three phases and types，and points out the temperature control crack-resistance measures of the elevated station from the design and construction according to the finite element analysis of the structure under the temperature load，so as to provide some reference for similar problems．

Key words:elevated station，large cantilever pier structure，temperature stress

作者简介:李冰成(1989-)，男，助理工程师

收稿日期:2015-10-22

文章编号:1009-6825(2016)01-0062-03

中图分类号:U231．4

文献标识码:A