高寒地區(qū)預(yù)應(yīng)力超長(zhǎng)框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力研究與應(yīng)用

司 航

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)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(guó)鐵出站的通道兼顧南北市政廣場(chǎng)的過(guò)境需求，南北兩側(cè)設(shè)置南北通道連接市政廣場(chǎng)。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(guó)鐵出站通道)，通廊長(zhǎng)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(yù)應(yīng)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(jí)為C45，柱為C50。預(yù)應(yīng)力筋采用1×7標(biāo)準(zhǔn)型15.20高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(GB/T 5224預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 N/mm2，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fpy=1 320 N/mm2，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)行分析，見(jiàn)圖1。

2 數(shù)值模擬分析

MIDAS Civil 2015中，采用如下方法分析預(yù)應(yīng)力和溫度荷載：

1)預(yù)應(yīng)力荷載的處理方法為通過(guò)施工階段分析，考慮混凝土的收縮徐變，分析預(yù)應(yīng)力束的等效荷載作用，分鋼束一次、鋼束二次查看預(yù)應(yīng)力束產(chǎn)生的內(nèi)力。鋼束一次的內(nèi)力圖是用鋼束預(yù)應(yīng)力等效荷載的大小和位置計(jì)算的內(nèi)力(與約束和剛度無(wú)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(yù)應(yīng)力等效荷載的內(nèi)力(用預(yù)應(yīng)力等效節(jié)點(diǎn)和在考慮約束和剛度后計(jì)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(guò)對(duì)模型的頂板(軌道板)和站臺(tái)板及相應(yīng)的梁?jiǎn)卧┘訂卧獪囟群奢d模擬實(shí)際使用中的溫度變化。

2.1 模型概述

采用MIDAS/Civil 2015進(jìn)行全施工階段模擬分析，模型節(jié)點(diǎn)89 921個(gè)，單元94 951個(gè)。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(gè)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(kāi)軌道板的影響

軌道板內(nèi)力對(duì)比表見(jiàn)表2。

表2 軌道板內(nèi)力對(duì)比表

斷開(kāi)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(yīng)力的傳遞，減小降溫引起的軸向拉力，對(duì)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(duì)比表見(jiàn)表3。

表3 柱內(nèi)力對(duì)比表

在滿足正常使用要求的情況下，通過(guò)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(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的次內(nèi)力結(jié)果及分析

表4 次內(nèi)力對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的影響

由表4結(jié)果可知，預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力引起的次應(yīng)力的影響較大，不可忽略；次應(yīng)力的存在對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不利影響，這主要是因?yàn)楸纠辛嚎缍却?，為考慮預(yù)應(yīng)力損失等因素的影響，預(yù)應(yīng)力鋼束分段布置，導(dǎo)致了預(yù)應(yīng)力對(duì)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(yù)應(yīng)力鋼束使梁的位移進(jìn)一步減小。

3 結(jié)語(yǔ)

1)溫度作用對(duì)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(yù)應(yīng)力，改變結(jié)構(gòu)和約束剛度，設(shè)置后澆帶等措施；

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

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

4)預(yù)應(yīng)力引起的次彎矩對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力會(huì)產(chǎn)生重要影響。次彎矩對(duì)結(jié)構(gòu)有利或有弊需具體分析，一般情況下，通長(zhǎng)布置預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，次彎矩對(duì)結(jié)構(gòu)有利；而分段布置的預(yù)應(yīng)力筋會(huì)增加結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生不利影響，還需計(jì)算確定；

5)本例分析了預(yù)應(yīng)力變截面梁的次內(nèi)力和溫度作用對(duì)整個(gè)框架結(jié)構(gòu)的影響，保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和正常使用，為今后類似工程的設(shè)計(jì)提供了參考。

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