超长火车站温度作用分析及设计对策

鲁国昌

(北京市建筑设计研究院有限公司 北京 100045)

1 工程概况

银川火车站工程是在既有西站房正常运行前提下的改扩建工程，其主要包括新建东站房、站台雨棚及进站天桥三部分组成。图1为新建站房正面效果图。新建东站房位于线路东侧，通过天桥与既有西站房连通，站房长约240m，宽约72m，地下1层，地上4层。地下室主要为出站通道、消防水泵房及消防水池，层高8.6m；首层主要为进站广场、候车厅、售票厅、出站厅及旅客服务设施等，层高9m，局部设置机房夹层，主要布置空调机房，层高4.2m；二层为候车层，主要布置候车厅及旅客服务设施等，层高6m；三层为站务办公层，主要为站务办公室及信息机房，层高4.5m；四层为空调机房层，层高6.5m；屋面由混凝土壳、玻璃屋面及钢结构轻屋面组成，女儿墙檐口标高为26.15m，最高点标高为38.33m。

图1 建筑正立面效果图

新站房建筑外形独特，因而相应结构体系较为复杂，主要由钢筋混凝土框架、抗震墙、混凝土厚壳、拱形支撑及大跨钢结构屋盖构成的钢-混凝土混合结构，图2为站房的结构模型。站房地上虽有4层，但站务办公层和空调机房层范围很小，长约40m，宽约26m，类似局部夹层。尺度较大的为首层顶板(即候车厅楼面)和站房屋面，首层顶板长为243m，宽为64.1m，采用现浇混凝土楼面；站房屋面长260.7m，宽为64.1m，主要由突出的混凝土壳体、钢结构轻屋面及局部混凝土屋面组成。图3为新站房的纵剖面(剖切位置约在站房宽度方向的中心)，因站房两侧对称，图中仅反映一半的结构布置。由于火车站作为公共空间，通常不允许设置变形缝，因此超长是该项目的一个突出特点。

图2 银川站新站房结构布置示意图

图3 银川站新站房纵剖面图

该项目长度远远超出《混凝土规范》[1]的规定，需对温度作用下的结构内力进行分析。首先要解决的是确定温度内力分析时的温差，由于该项目屋面为混合结构，应分别针对钢与混凝土两种材料的不同特性确定不同的计算温差。而且，项目在施工阶段和使用阶段结构所处环境不同，也应分别考虑。

2 确定结构的计算温差

2.1 环境温度条件

在确定结构构件温差取值时，对结构构件所处的环境温度应有合理估计，应充分考虑结构构件所处的环境条件，据此确定其环境温度取值。结构分别经历施工阶段、试用阶段，这两个阶段结构所处的外部环境完全不同，因而应分别考虑。

在施工阶段，结构完全暴露在环境中。温度计算时，混凝土结构计算考虑的最低温Tamin取近3～5年最低月平均温度，最高温Tamax取近3～5年最高月平均温度，钢结构计算时考虑的最低温Tamin取近3～5年最低日平均温度，最高温Tamax取近3～5年最高日平均温度。之所以不按《建筑结构荷载规范》[2]取重现期为50年的基本气温，是因为规范是基于50年设计基准期考虑，而施工阶段较为短暂，取近几年最低、最高月(日)平均温度，笔者认为是适宜的。根据气象网有关资料，近年来银川最低月平均温度为-7℃，最高月平均温度为23.5℃，最低日平均温度为-12℃，最高日平均温度为27.5℃。

在使用阶段，考虑实际情况，该建筑的节能要求较高，站房结构外部都有保温做法，冬季有采暖。采暖期间，室内温度一般在20℃，因此使用期间各层楼面结构最低温Tamin偏保守取为15℃。对于屋面结构，虽有外保温，并不直接接触室外环境，考虑到保温效果，最低温Tamin取室内温度与50年一遇环境最低月(日)平均气温的平均值。根据银川地区1971～2000年的气象资料，对于混凝土结构，Tamin=(-11+20)/2=4.5℃，对于钢结构，Tamin=(-15+20)/2=2.5℃。银川当地夏季较为凉爽，按不开空调考虑，因此混凝土结构最高温Tamax按50年一遇最高月平均气温考虑，根据气象资料，取为26℃，钢结构最高温按50年一遇最高日平均气温考虑，取为31℃。

表1归纳了施工阶段及使用阶段的结构的最高温、最低温。

2.2 混凝土自身的收缩当量温差

收缩是混凝土材料所固有的特性，也是引起混凝土开裂的主要原因之一。决定混凝土收缩应力大小的因素主要有水泥品种、骨料级配、水灰比、养护条件、使用环境等。

表1 温度作用计算的主要参数

候车厅楼面沿长向设4条后浇带，短向不设后浇带。后浇带在120d 后浇注，则可认为混凝土已完成一部分收缩，剩余的收缩才会在结构中产生拉应力。工程设计中，混凝土的收缩变形采用收缩当量温降ΔTc来分析，采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[3]附录D中的计算公式：

εcs(t,ts)=εcs0βs(t-ts)=εs(fcm)βRHβs(t-ts)

(1)

εs(fcm)=[160+10βsc(9-fcm/fcm0)]×10-6

(2)

ΔTc=[εcs(∞,ts)-εcs(t,ts)]/αc

(3)

式中，εcs(∞,ts)为混凝土最终收缩应变;

εcs(t,ts)为混凝土在t时刻的收缩应变;ts为混凝土开始收缩的时间，假定为3d;

βRH为环境年平均相对湿度RH的函数;

βs(t-ts)为收缩随时间发展的系数;

αc为混凝土线膨胀系数，取1×10-5/℃。

银川当地2010年以后年平均相对湿度为55%，后浇带闭合的时间为浇筑完成后120d，普通硅酸盐水泥βsc=5.0,混凝土材料强度等级拱、壳为C40，普通梁板为C35，计算时统一按C40考虑。根据规范[3]附录D中公式计算，考虑结构使用年限为50年，约18 250d，使用期间最终收缩量为εcs(18 250,3)。ΔTc,使=[εcs(18250,3)-εcs(120,3)]/αc≈36℃ 。施工前间考虑为结构浇筑完成后的一年时间(365d)，施工期间收缩当量温降ΔTc,施=[εcs(365,3)-εcs(120,3)]/αc≈9℃。

2.3 徐变应力松弛系数

混凝土徐变是混凝土结构在持续荷载作用下的变形随时间不断增加的现象。混凝土徐变研究主要来自于混凝土受压。研究表明，混凝土受拉出现毛细裂缝直至开裂，其受拉应变随时间持续发展的规律与受压徐变基本相同，可以将混凝土拉压徐变规律视作相同[4]。

混凝土徐变系数采用规范[3]附录D中的计算公式:

φ(t,t0)=φ0βc(t-t0)=

φRHβ(fcm)β(t0)βc(t-t0)

(4)

式中:

t0为加载时的混凝土龄期/d；

t为计算考虑时刻的混凝土龄期/d ；

φ(t,t0)为加载龄期为t0、计算考虑龄期为t时的混凝土徐变系数；

φ0为名义徐变系数。

考虑构件配筋对混凝土徐变的影响，配筋率越大，徐变值越小，徐变应力松弛系数越大。文献[5]给出了考虑配筋率影响的徐变应力松弛系数：

Rs(t,t0)=1.1/[1+X(t,t0)φ(t,t0)]

(5)

式中:

X(t,t0)为混凝土老化系数;

(t,t0)值的范围为0.5～1.0。

对于该工程构件开始受荷时混凝土龄期t0取为7d，使用期间徐变应力松弛系数Rs(18250,7)≈0.30，施工期间，徐变应力松弛系数Rs(365,7)≈0.36。

2.4 弹性计算时升、降温数值

工程计算时,一般都把混凝土结构简化为弹性材料来计算温度作用，因而弹性计算时输入的温差应为考虑徐变应力松弛系数折减后的计算温度，计算降温时须叠加收缩引起的当量温降。

对于楼、屋面混凝土结构，图纸说明中要求后浇带的闭合期间的月平均温度宜控制在5～10℃, 并应严格控制在3～12℃。楼面混凝土结构施工阶段升温计算温度ΔT升=Rs(t,t0)(Tamax-T0)=0.36(23.5-3)=7.4℃,ΔT降=Rs(t,t0)(T0-Tamin+ΔTc)=0.36(12-(-7)+9)=10.1℃施工阶段降温计算温度 。同样方法可以计算出楼面混凝土结构使用阶段的升温、降温计算温度，以及屋面混凝土结构的施工、使用阶段的升、降温计算值。结算结果归纳如表1所示。

对于钢结构，在温度作用下一般材料均处于弹性阶段，因而计算升、降温温差按合拢温度与计算时考虑的环境最高温、最低温的差值即可。

3 温度作用的主要计算结果

3.1 温度作用下主要构件内力

该项目按以下4个工况分别计算温度作用：

(1)施工阶段升温作用计算；

(2)施工阶段降温作用计算；

(3)使用阶段升温作用计算；

(4)使用阶段降温作用计算。

站房混凝土壳体为站房结构受力较为复杂的部分，是结构的重要抗侧力构件，也是屋面钢桁架和楼面部分混凝土结构的支座。图4中(a)、(b)、(c)、(d)分别为站房混凝土壳体在4个温度作用工况下沿站房长向的正应力σxx。在4个温度工况作用下，壳体主要范围的σxx在-0.5～0.5MPa之间，局部支承屋面钢桁架处出现应力集中，应力可达±5.0MPa。

拱形支撑也是结构的抗侧力构件，同时也作为钢桁架和混凝土大梁的支承结构。图5为站房正面的拱形支撑的使用阶段降温工况下的轴力及弯矩图。拱形支撑的轴力在-500～2100kN之间，两侧的拱轴力较小，中间的拱轴力较大。竖直平面内的弯矩对值在几十至数百kN·m范围之内。

首层顶板(即候车厅楼面)顶板长为243m，是超长抗裂问题比较突出的部位，图6为首层顶板在最不利的使用阶段降温工况下的沿站房长向的正应力σxx示意图。首层顶板较大范围的σxx在2.4～3.0MPa之间，楼板拉应力较大。

图4 站房混凝土壳体的温度作用下的σxx

(b)竖直平面内弯矩图图5 站房拱形支撑在使用阶段降温工况下的内力图

图6 首层顶板在的使用阶段降温工况下的σxx

屋面钢桁架在施工阶段温度工况下内力比使用阶段温度工况下内力更大。在施工阶段升温工况下，桁架主要弦杆轴力在-100～600kN之间；在施工阶段降温工况下，桁架主要弦杆轴力在-500～100kN之间。各工况下，桁架腹杆轴力均在40kN以内。

3.2 温度作用效应组合

依据《建筑结构荷载规范》[2]的规定，温度作用分项系数可取1.2，组合值系数可取0.6，频遇值系数可取0.5，准永久值系数可取0.4。4个温度工况分别与恒、活载等工况进行组合。进行施工阶段验算时，恒载仅考虑结构自重，活载仅考虑施工堆载。施工阶段不考虑温度作用与地震、风荷载的组合。

4 设计中采取的主要措施

4.1 复核主要构件的配筋或应力比

根据包含温度作用的各基本组合下构件的设计内力，分别对混凝土梁、柱、墙、拱、壳的配筋结果进行复核，适当加大了部分混凝土构件的配筋。同样，对钢桁架也复核了构件的应力比，对局部应力比较大的构件适当增加截面。

4.2 其他构造措施

除了从计算上使各构件满足抵抗温度作用的能力，还在设计采取如下构造措施。

(1)设置后浇带，延长后浇带封闭时间。

该项目首层顶板沿长向设置4条后浇带，后浇带之间净距在43m～50m之间。不同于以往通常60d封闭后浇带的要求，该项目要求施工后浇带应在两侧混凝土浇注完成120d后封闭。封闭后浇带的混凝土采用比原强度等级高一级的补偿收缩混凝土。采用掺膨胀剂的补偿收缩混凝土，水中养护14d后的限制膨胀率不应小于0.015%。

图7 首层顶板预应力筋布置平面图(局部)

图8 屋顶结构平面图

(2)严控结构合拢温度。

设计文件中要求施工后浇带浇筑期间的月平均温度宜控制在5～10℃, 并应严格控制在3～12℃，严格控制钢结构的合拢温度在为5～10℃。

(3)楼板内设置温度预应力筋。

图7为首层顶板温度预应力筋布置平面图(仅显示局部)，预应力筋沿长向布置。采用有粘结预应力温度筋体系，预应力筋数量为1×3BΦS15.2@1000，混凝土预压应力大小为2.0MPa。预应力筋在楼板内呈自然抛物线布置，即以框架梁处楼板上部钢筋为抛物线支座高点(预应力钢筋在下)，以跨中楼板下部钢筋为抛物线跨中低点(预应力钢筋在上)。施工后浇带两侧的温度预应力钢筋在两侧混凝土强度达到要求后分别张拉，后浇带处预应力钢筋预先埋置，待后浇带混凝土达到强度后方可张拉。此外，沿长方向非预应力下部钢筋伸入楼板支座满足LaE长度。

(4)钢桁架与混凝土结构连接采用单向可滑动的抗震支座。

图8为屋顶结构平面，为了尽可能减少结构的温度应力，屋面钢桁架与两侧混凝土壳、梁、拱的连接采用抗震支座，抗震支座沿结构长向是可滑动的，沿结构短向是固定的。支座沿结构长向的刚度为3kN/mm，允许位移量为50mm。这样一种构造，既保证了屋面结构的刚度和整体性，又大大释放了结构在温度作用下内力。图9为抗震支座。

图9 抗震支座

(5)混凝土配比经过试配确定，要求原材料符合相关标准的要求，严格控制水泥用量、水灰比、含泥量；控制混凝土塌落度，要求低温入模；施工阶段应加强混凝土的养护。

(6)加强外墙、屋面板的保温隔热措施。

5 结论

(1)结构在使用阶段与施工阶段所处的环境有显著区别，计算时应分开考虑。

(2)温度作用计算时，钢结构环境温度一般取最高(低)日平均气温，混凝土结构环境温度一般取最高(低)月平均气温。混凝土结构计算时还应考虑收缩、徐变的影响。

(3)应根据包含温度作用的基本组合下结构内力复核主要结构的承载能力。

(4)超长混凝土结构采用设置无粘结预应力筋来抵抗混凝土收缩和温度下降产生的拉应力，控制正常使用状态下楼板的裂缝开展，具有良好的效果。

(5)确定合理的结构合拢温度、设置后浇带、设置可滑动的连接支座均是减少温度作用和混凝土收缩产生应力的有效措施。

参考文献

[1] GB 50010-2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] GB 50009-2012 建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3] JTG D62-2012 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社，2012．

[4] 傅学怡,吴兵.混凝土结构温差收缩效应分析计算[J].土木工程学报,2007,40(10).

[5] 张玉明.超长混凝土框架结构裂缝控制研究[D].南京:东南大学,2006.