某地鐵運行庫上蓋超長混凝土結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)探析

陳 峰

(福州市建筑科學(xué)研究院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

地鐵車輛基地運用庫是全線車輛停放和檢修的主要場所，占地面積大，且為超長結(jié)構(gòu)，利用其上部空間進(jìn)行房產(chǎn)物業(yè)開發(fā)，有效提高城市土地利用率，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。但為了利用其上部空間，往往需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計[1-2]。在實際工程中，考慮到使用功能和外觀上的需要，越來越多的設(shè)計人員采用不設(shè)伸縮縫的超長混凝土結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計時必須考慮超長混凝土結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響，且應(yīng)采取相應(yīng)措施消除可能產(chǎn)生的不利影響[3-4]。目前，關(guān)于超長結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力研究已有較多相關(guān)文獻(xiàn)，但對于這種厚板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的復(fù)雜超長結(jié)構(gòu)，相關(guān)報道并不多見，主要是這種類型結(jié)構(gòu)少有，且如何考慮厚板的實際情況，需要有強大的分析計算方法。多尺度有限元分析方法則提供了這種可能性[5-6]。本文采用MIDAS/GEN有限元軟件建立了某地鐵上蓋厚板轉(zhuǎn)換層超長結(jié)構(gòu)的多尺度有限元模型，可以準(zhǔn)確考慮結(jié)構(gòu)實際溫度效應(yīng)問題，以期為類似工程或研究提供參考。

1 工程概況

某地鐵車輛基地運用庫上蓋的3#塔樓和5#塔樓，為鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，凹凸不規(guī)則，剛度突變，豎向構(gòu)件不連續(xù)(厚板轉(zhuǎn)換層、轉(zhuǎn)換暗梁)，承載力突變，斜墻等眾多不規(guī)則項，屬于超限高層建筑工程項目。3#塔樓、5#塔樓位于運用庫01-03、01-04及01-05分區(qū)上方，利用這些分區(qū)預(yù)留的墻柱豎向構(gòu)件來轉(zhuǎn)換上部的3#塔樓、5#塔樓，結(jié)構(gòu)布置如圖1～圖3所示。

3#塔樓和5#塔樓建筑總高度分別為44.60 m、62.00 m，轉(zhuǎn)換層及轉(zhuǎn)換層下一層樓板長度為129m，寬度為46.5m，屬于超長混凝土結(jié)構(gòu)。故本次溫度應(yīng)力分析的范圍為三層的轉(zhuǎn)換厚板(含轉(zhuǎn)換暗梁)及二層的超長樓板，塔樓溫度效應(yīng)很小，不做考慮。

圖1 結(jié)構(gòu)剖面示意圖

圖2 車庫頂結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 A3#、A5#塔樓車庫頂(含轉(zhuǎn)換層)結(jié)構(gòu)平面圖

2 有限元分析模型及溫度作用確定

2.1 多尺度有限元分析模型

采用MIDAS/GEN 軟件進(jìn)行整體多尺度有限元分析。建模時，為考慮更真實的邊界條件，厚度1300mm轉(zhuǎn)換層的厚板(含轉(zhuǎn)換暗梁)，厚板上下剪力墻均采用實體單元，其余剪力墻則采用墻單元，樓板采用板單元，梁、柱采用梁單元，板混凝土強度C40，鋼筋等級為HRB400。建模后整樓模型和轉(zhuǎn)換板(含暗梁)及厚板上下剪力墻實體單元網(wǎng)格，如圖4～圖5所示。

圖4 MIDAS/GEN整體多尺度有限元模型

圖5 厚板轉(zhuǎn)換層及上下墻體實體單元及網(wǎng)格劃分

2.2 溫度作用的確定

溫度作用對于結(jié)構(gòu)的影響較為復(fù)雜，需要考慮因素較多。本次分析中的溫度作用(綜合溫差)考慮的溫差因素主要為季節(jié)溫差和混凝土的收縮當(dāng)量溫差，以及徐變對混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的折減。

2.2.1 季節(jié)溫差

根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]研究，本次分析選定季節(jié)溫差為±31℃。

2.2.2 混凝土收縮當(dāng)量溫差

根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]的研究，混凝土的收縮當(dāng)量溫差可以按下式確定:

(1)

εy(t)=3.24×10-4·M1·M2…Mn(1-e-0.01t)

(2)

該工程混凝土的收縮量按半年時間考慮，即t=180 d，混凝土的線膨脹系數(shù)α=1.0×105/℃，考慮各種非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)的取值，該工程取M1·M2…Mn= 1.01，代入式(2)，則可得：

εy(180)=3.24×10-4×1.01×(1-e-0.01×180)=2.7×10-4

2.2.3 混凝土徐變參數(shù)

考慮到混凝土徐變引起溫度應(yīng)力的巨大卸載效應(yīng)，本次分析取0.3的松弛系數(shù)[9]。

2.2.4 綜合溫差

由于升溫時混凝土受壓，對混凝土影響不明顯，且與混凝土收縮溫差作用相反，故不考慮升溫溫差影響，僅考慮降溫溫差影響。于是確定該工程綜合溫差：ΔT= (-31-27)×0.3=-17.4℃。

3 溫降作用下板的變形和應(yīng)力分析

3.1 厚板轉(zhuǎn)換層樓板的變形及應(yīng)力

溫降工況下，厚板轉(zhuǎn)換層變形和應(yīng)力計算結(jié)果如圖6～圖9所示。從圖6和圖7可看出結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯收縮變形。X向最大變形值為8.24 mm，Y向最大變形值為2.38 mm；且變形較大處均位于結(jié)構(gòu)兩端位置，靠近結(jié)構(gòu)對稱位置變形則逐漸減小。由圖8～圖9可知，應(yīng)力主要集中在洞口、剪力墻集中部位或柱距較小處及厚板與普通樓板交界的角部處，X向最大受拉正應(yīng)力7.87 MPa，Y向最大受拉正應(yīng)力6.52 MPa，非應(yīng)力集中處也大大超過了混凝土的抗拉強度，必須采取必要的溫控措施防止結(jié)構(gòu)開裂。

圖6 溫降工況下板X向變形Dx(單位：mm)

圖7 溫降工況下板Y向變形Dy(單位：mm)

圖8 溫降工況下厚板X向正應(yīng)力σxx(單位：MPa)

圖9 溫降工況下厚板Y向正應(yīng)力σyy(單位：MPa)

3.2 二層超長樓板變形及應(yīng)力分析結(jié)果

溫降工況下，二層超長樓板變形和應(yīng)力計算結(jié)果如圖10～圖13所示。從圖10和圖11可以看出結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯收縮變形，X向最大變形值為9.07 mm，Y向最大變形值為5.04 mm；同樣變形較大處均位于結(jié)構(gòu)兩端位置，靠近結(jié)構(gòu)對稱位置變形則逐漸減小。由圖12～圖13可知，應(yīng)力也是集中在剪力墻集中部位或柱距較小處，X向最大受拉正應(yīng)力12.64 MPa，Y向最大受拉正應(yīng)力8.17 MPa，非應(yīng)力集中處也大大超過了混凝土的抗拉強度，必須采取必要的溫控措施防止結(jié)構(gòu)開裂。

圖14 膨脹加強帶設(shè)置位置

圖10 溫降工況下板X向變形Dx(單位：mm)

圖11 溫降工況下板Y向變形Dy(單位：mm)

圖12 溫降工況下板X向正應(yīng)力σxx(單位：MPa)

圖13 溫降工況下板Y向正應(yīng)力σyy(單位：MPa)

4 溫控措施研究

4.1 采用微膨脹混凝土

通過采用微膨脹混凝土，可抵抗混凝土當(dāng)量溫差的影響，即綜合溫差減至為：ΔT= (-31-0)×0.3=-9.1℃。按該溫差分析可得：轉(zhuǎn)換層厚板X向最大拉應(yīng)力為4.12 MPa，Y向最大拉應(yīng)力值為3.41 MPa；二層超長樓板X向最大拉應(yīng)力為6.61 MPa，Y向最大拉應(yīng)力值為4.27 MPa。由分析結(jié)果可知，采用微膨脹混凝土之后，樓板的溫度應(yīng)力大大降低，但超過了混凝土的抗拉強度。

4.2 采用膨脹加強帶

為了減小結(jié)構(gòu)在溫度作用下的應(yīng)力，在拉應(yīng)力較大、應(yīng)力集中以及截面突變等部位設(shè)置膨脹加強帶，設(shè)置3道膨脹加強帶如圖14所示，帶寬2 m，帶的兩側(cè)布置5 mm的密孔鋼絲網(wǎng)，將帶內(nèi)混凝土與帶外混凝土分隔開，鋼絲網(wǎng)垂直布置在上下層鋼筋之間，兩端分別綁扎在上下層鋼筋上。膨脹加強帶混凝土等級為C40，限制膨脹率為3×10-4，等效溫差為3×10-4/1×10-5= 30℃，所以設(shè)置膨脹加強帶后綜合溫差為：ΔT= (-31-27+30)×0.3=-8.4℃。分析結(jié)果表明：樓板溫度應(yīng)力仍然超過混凝土自身的抗拉強度。

4.3 綜合措施

因此，該工程采用了膨脹混凝土和膨脹加強帶綜合措施，采取措施后綜合溫差為：ΔT=(-31-0+30)×0.3=-0.3℃，保證了超長樓板溫度效應(yīng)的有效控制，實測溫度應(yīng)力結(jié)果也證明了所采取的措施可靠有效。

5 結(jié)論

根據(jù)建立MIDAS/GEN的多尺度整體有限元模型，計算分析了轉(zhuǎn)換厚板及二層超長樓板在溫降作用下的溫度效應(yīng)。得到結(jié)論如下：

(1)在未考慮溫控措施時，溫降作用下，轉(zhuǎn)換厚板X向最大拉應(yīng)力為7.87 MPa，最大變形值為8.24 mm；Y向最大拉應(yīng)力值為6.52 MPa，最大變形值為2.38 mm；二層超長樓板X向最大拉應(yīng)力為12.64 MPa，最大變形值為9.07 mm；Y向最大拉應(yīng)力值為8.17 MPa，最大變形值為5.04 mm。溫度效應(yīng)十分明顯，超長樓板在溫度作用下必然開裂，需要采取必要的溫控措施。

(2)在溫降作用下，二層超長混凝土樓板的溫度效應(yīng)(包括各方向的變形和應(yīng)力情況)均大于轉(zhuǎn)換層厚板的溫度效應(yīng)。超長樓板的變形呈現(xiàn)兩端大中間小的情況，而溫度應(yīng)力則在對稱軸位置的附近較大，且在洞口、剪力墻集中部位或柱距較小處及厚板與普通樓板交界的角部處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，設(shè)計時應(yīng)重點考慮。

(3)采用微膨脹混凝土和膨脹加強帶綜合措施后，大大降低了超長樓板的溫度作用及其效應(yīng)，控制效果顯著，實測溫度應(yīng)力結(jié)果也證明了所采取的措施可靠有效。該工程已經(jīng)投入使用兩年，混凝土板均未出現(xiàn)裂縫、開裂等問題。