统景站站房温度应力分析

胡宏骏

摘  要：统景站站房平面布置整体呈现“凹”字形，在水平方向上形成超长结构体系。针对站房结构，分析了从施工到正常使用过程中受到的温度作用特点，利用MIDAS/Gen进行了温度应力计算分析。结果表明，在温度荷载作用下，结构平面布置因整体呈现“凹”字形，有效释放了温度应力，混凝土抗拉强度能够有效抵抗温度应力;“凹”字形平面内侧拐角位置框架柱刚度大，对楼板约束作用强，产生了温度应力集中现象，应力峰值达到6.2MPa，应合理配置附加温度钢筋，并给出了配筋计算式。

关键词：超长结构;“凹”字形平面;温度应力;MIDAS/Gen

中图分类号：TU375 文献标志码：A         文章编号：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

近年来，快又好的铁路建设拉动了地方区域经济的蓬勃发展，业主也对站房建设提出了更高标准的设计要求。出于整体性方面的考虑，站房将进站大厅、附属用房、站台风雨棚等合建。这样的建筑方式避开了传统意义上通过设置伸缩缝来划分建筑单元的设计思想，提高了站房舒适性，但也造成站房在水平面上容易形成超长结构体系，温度应力问题较为突出，为结构设计带来挑战。为了预测温度应力对这类站房结构造成的影响，本文以重庆市统景站站房为例，利用MIDAS/Gen对站房结构进行了温度应力模拟计算，分析了计算结果，并给出了合理化建议，为这类站房结构施工图设计提供了一定的参考。

1 工程概况

重庆铁路枢纽东环线线路总长260km，全线新建统景站、珞璜东站、东港站、南彭站、郭家站等5座车站。各站房均为单层，屋面层标高6.9m，建筑面积2500m2，抗震设防类别丙类，框架结构，抗震设防烈度6度（0.05g），设计地震分组第一组。各站房均将进站大厅、附属用房、站台风雨棚合建，造成站房在水平方向上形成超长结构体系，平面布置呈现“凹”字形，不满足规范[1]8.1.1条“现浇式框架结构伸缩缝间距不超过55m”要求。为了预测温度应力对这类站房结构造成的影响，本文以统景站站房为例，效果如图1，采用有限元软件MIDAS/Gen对其进行温度应力计算分析。

2 建模计算及结果分析

2.1 温度荷载确定

在混凝土超长结构的计算分析中，温度荷载主要考虑季节温差、混凝土收缩当量温差。

2.1.1 季節温差

混凝土抗拉能力远小于抗压能力，降温作用产生的拉应力是超长混凝土结构裂缝开裂的重要原因，本文主要研究降温对混凝土结构产生的影响。规范[2]采用估算法确定结构的季节温差，温度荷载作用标准值计算公式：

△Tk=Ts，min-T0，max        （1）

式中，△Tk-均匀温度作用标准值，单位（℃）;Ts，min-结构最低平均温度，单位（℃）;T0，max-结构最高初始平均温度，单位（℃）。

本文查阅重庆市气象局提供2009～2019年重庆市气温数据，得到2009～2019年重庆市月平均气温变化，如图2。根据图2得到结构最高初始平均温度T0，max出现在夏季（6～8月），T0，max为29℃。当站房在使用阶段，考虑到屋面、墙体设置有隔热保温层，室内亦有空调设备，环境温度一般为26±5℃，得到结构在使用阶段最低平均温度Ts，min1为21℃。当站房在施工阶段，结构长期暴露在室外，平均温度在年平均温度8～30℃范围内，得到结构在施工阶段最低平均温度Ts，min2为8℃。综上所述，据公式（1）确定结构最大降温△Tk=Ts，min-T0，max=MIN（Ts，min1，Ts，min2）-T0，max=8-29=-21℃。

2.1.2 混凝土收缩当量温差

混凝土收缩是混凝土材料固有的时效属性，收缩产生的拉应力亦是引起超长混凝土结构产生裂缝的重要原因。在工程实践中，一般会对超长混凝土结构设置后浇带，待混凝土浇筑60d以后再进行后浇带封闭施工，这应计入后浇带设置对混凝土收缩时产生的有利影响[3-4]。本文将混凝土后浇带封闭施工后剩余的混凝土收缩量换算成等效的降温温差△Ts，来考虑混凝土收缩对结构的影响，计算公式：

△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-混凝土收缩当量温差，单位（℃）;△εy-某时间段内混凝土发生的收缩应变;α-混凝土线膨胀系数，单位（1/℃），取值1×10-5（1/℃）;εy（t）-某时刻混凝土收缩应变;t-混凝土浇筑后的天数，单位（d）;ε（∞）-某施工条件下混凝土最终收缩应变;ε0（∞）-标准状态混凝土最大收缩应变，取值3.24×10-4;Mi-混凝土在各项影响因素下的修正系数，见表1。

本工程在结构平面上设置了两条沿Y方向的混凝土伸缩后浇带，待混凝土浇筑60d以后，对后浇带进行封闭施工。据式（2）～（5），得到△εy=εy（∞）-εy（60）=1.53×-10-4-3.4×10-4=-1.87×10-4，混凝土收缩当量温差△Ts为-18.7℃。

2.1.3 徐变系数

混凝土徐变是随着时间缓慢发展的，引起的温度应力松弛可以提高混凝土极限变形能力，造成结构实际产生的温度应力远小于其在分析模型中施加温度荷载后的弹性分析结果，因此应充分考虑徐变对结构温度应力产生的影响。本文对混凝土徐变系数Ψ[3-4]取值0.3。

2.2 模型建立

站房将进站大厅、附属用房、站台风雨棚合建，造成站房在X水平方向形成超长结构，平面布置呈现“凹”字形，平面尺寸为96m×40m，MIDAS/Gen分析模型如图3，设计参数如下：（1）考虑框架梁柱、板在温度荷载作用下产生的应力，不考虑隔墙对结构的影响。（2）框架梁柱采用梁单元（beam element），板采用板单元（plate element）。（3）框架梁柱、板混凝土强度等级为C30，弹性模量Ec=3×104MPa，线膨胀系数为1×10-5（1/℃）;结构钢筋采用HRB400，强度设计值fy=360MPa。（4）框架梁柱截面尺寸满足设计和使用要求，板厚度为120mm。（5）向结构施加的温度荷载值：季节温差+混凝土收缩当量温差=（-21）+（-18.7）=-39.7℃。

2.3 分析結果

在MIDAS/Gen中，对站房结构模型施加温度荷载（-39.7℃），进行有限元分析，得到屋面板X方向应力图4、Y方向应力图5。

图4、图5中屋面板普遍区域温度应力分布均衡，单位宽度板拉应力在0.1～1.2MPa之间，远小于板混凝土抗拉强度标准值2.01MPa。从结构整体上看，结构平面布置呈现“凹”字形，这样的布置方式极大地削弱了框架梁柱对板的约束作用，让板的温度应力得以有效释放，导致板的温度拉应力较小。屋面板普遍区域温度荷载作用效果不明显，混凝土抗拉能力足以抵抗温度应力。

图4、图5中屋面板向内凹的拐角位置温度拉应力出现了峰值，达到6.2MPa，但是其周边区域拉应力迅速下降到1.2MPa以内。内凹拐角位置框架柱截面尺寸达到0.8m×1.5m，这对楼板起到了极大约束作用。板拐角位置出现了应力集中现象，应配置附加温度放射筋，以抵抗温度荷载对结构产生的影响，防止屋面板出现开裂，影响结构美观和使用。

2.4 温度钢筋配置

本文将屋面板当作全截面受拉构件，计算降温工况下单位宽度板单元单层单向附加温度钢筋，计算公式：

As=γQ·（σ·A）·Ψ/fy/2   （6）

式中，γQ-温度荷载分项系数，取值1.5;σ-单位宽度板单元拉应力，单位（MPa）;A-单位宽度板单元截面尺寸，单位（mm2），取值120×1000mm2;Ψ-徐变系数，取值0.3;fy-钢筋抗拉强度设计值，单位（MPa），取值360MPa（HRB400钢筋）。

屋面板内凹拐角位置板拉应力为6.2MPa，据公式（6）得到单位宽度板单元单层单项配筋计算值为465mm2，在施工图设计中为该区域实际配置附加温度应力钢筋为双层双向  10@150。

3 结论

本文以统景站站房工程为例，分析了结构从施工到正常使用过程中可能受到的温度作用特点，经过MIDAS/Gen温度应力计算分析，研究了温度荷载对结构产生的影响，得到如下结论：（1）站房结构平面布置整体呈现“凹”字形，这样的平面布置方式有效释放了温度应力，板拉应力普遍在0.1～1.2MPa之间，混凝土强度足以抵抗温度应力。（2）屋面板内凹拐角位置的框架柱对板起到了极大约束作用，产生了温度应力集中现象，板拉应力峰值达到6.2MPa，应合理配置附加温度钢筋以抵抗温度应力。（3）将板当作全截面受拉构件，给出了单位宽度板单元配筋计算公式，以屋面板内凹拐角位置板为例进行了附加温度钢筋设计，为这类站房结构施工图设计提供一定的参考。

参考文献：

[1]GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社（2015年版），2010.

[2]GB50009-2012.建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3]王铁梦.建筑物的裂缝控制[M].北京：中国科技出版社，1987.

[4]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.