重慶西站超長混凝土雨棚結構分析

劉天鸞 高夕良 劉傳平 宋 揚

(1.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司， 上海 200092；2.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

重慶西站超長混凝土雨棚結構分析

劉天鸞1高夕良2劉傳平1宋 揚2

(1.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司， 上海 200092；2.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

重慶西站混凝土雨棚平面雙向均屬于超長結構，溫度作用直接影響結構受力。在設計中，采用有限元分析了不同溫差下考慮混凝土收縮、徐變的樓板應力，對框架內力進行分析，按照計算結果加強設計配筋和構造措施。施工過程中采取了設置后澆帶、采用補償收縮混凝土、抗裂纖維混凝土、設置膨脹加強帶，設置預應力鋼筋等多項措施，減少施工過程和抵抗使用過程中的溫度和混凝土收縮、徐變作用。在保證原結構滿足建筑空間和造型要求的前提下，實現了超長混凝土雨棚結構不設縫的設計目標，為同類工程設計提供參考。

超長結構； 混凝土雨棚； 溫度應力

1 工程概況

重慶西站位于重慶市沙坪壩區，東側緊鄰內環高速公路，西靠中梁山，南望華巖寺風景區，是重慶樞紐的新建車站，規劃渝黔線、渝昆線、成渝城際以及渝長線引入重慶樞紐。站房總建筑面積12×104m2，站場規模31站臺面(16站臺)37線。雨棚分為近期和遠期，近期施工渝昆、渝黔場總面積為60 010 m2，遠期渝長場雨棚預留面積為21 098 m2，是國內首個在大型客站中采用鋼筋混凝土結構雨棚的高速鐵路車站，如圖1所示。

圖1 重慶西站軸側圖

2 結構布置

重慶西站站臺雨棚位于站房兩側，單側順軌道方向長度為118 m，垂直軌道方向投影長度為356.7 m，雨棚最低高度為11.1 m。東側13跨為一期工程，西側5跨為二期工程。

本工程雨棚結構為混凝土框架，地上一層，梁、柱混凝土強度等級C40，框架抗震等級三級，結構重要性系數1.1，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，抗震設防分類為丙類。

雨棚順軌道方向柱距為11.5 m，垂直軌道方向柱距約21 m。垂直軌道方向雨棚結構跨度相對較大，故垂直軌道方向的雨棚框架梁采用有粘結預應力鋼筋混凝土梁，順軌道方向框架梁采用普通鋼筋混凝土梁。雨棚框架梁之間的屋面次梁按約2.1 m×2.1 m網格雙向井格式布置，均采用普通鋼筋混凝土梁結構。

雨棚范圍內共有3條正線，正線上方雨棚屋面板均做漏空處理。由于單側雨棚在平面投影范圍內356.7 m和118 m均遠超規范規定的55 m可不設縫的限制，因此結合正線及一二期分界，將雨棚結構在垂軌方向設置3道變形縫，將整個雨棚屋面板分成4個結構分區單元，在順軌方向不設溫度縫。4段屋面板尺寸分別為43.15 m×118 m，105.5 m×118 m，105.5 m×118 m，68.05 m×118 m，如圖2所示，雨棚現場照片如圖3所示。

圖2 雨棚分縫布置圖(m)

圖3 重慶西站混凝土雨棚現場照片

3 超長混凝土結構設計

目前國內尚未有規范對超長混凝土結構給出具體定義，通常工程上把長度超過GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》[1]規定的鋼筋混凝土結構伸縮縫最大間距的結構認為是超長結構。而從設置伸縮縫的原因可以給出另外一種定義：即長度達到必須采取措施來解決混凝土收縮、徐變和溫度變化等引起結構開裂或產生裂縫的混凝土結構[2]。

超長混凝土結構無縫設計，需主要解決混凝土的收縮徐變及使用過程中由于溫度變化產生的混凝土受拉開裂問題。通常的解決方法是采取在施工過程中設置后澆帶、采用補償收縮混凝土、抗裂纖維混凝土、設置膨脹加強帶、設置預應力鋼筋等措施。

3.1 溫度工況

超長混凝土結構后澆帶封閉后，結構即形成一個整體。整體結構在使用階段作為一個獨立的力學模型來考慮溫度作用。均勻溫度作用作為以年為單位的長周期荷載，應考慮最大溫升和最大溫降工況[3]。

(1)最大溫升工況均勻溫度作用標注值

ΔTk=Ts,max-T0,min

(2)最大溫降工況均勻溫度作用標注值

ΔTk=Ts,min-T0,max

式中：Ts,max——結構最高月平均溫度，以月最高平均氣溫Tmax為基礎，考慮太陽輻射等附加因素；

Ts,min——結構最低月平均溫度，應以月最低平均氣溫Tmin為基礎；

T0,max,T0,min——當結構預留后澆帶并整體考慮溫度應力時，為結構合攏溫度；當結構分塊計算時，取單段的最高(低)溫度。

3.2 收縮當量溫差

混凝土收縮是指混凝土由于所含水分的變化、化學反應及溫度降低等因素引起的體積縮小。影響混凝土收縮的因素有：水泥品種和用量、骨料性質、養護條件、混凝土制作方法和使用條件等。

混凝土在長期荷載作用下隨時間而增加的變形稱為徐變。影響混凝土徐變的因素有：水泥用量越大(水灰比W/C一定時)，徐變越大；W/C越小，徐變越小；齡期長、結構致密、強度高，則徐變小；骨料用量多，彈性模量高，級配好，最大粒徑大，則徐變小；應力水平越高，徐變越大。此外還與應力種類、構件尺寸、溫度等有關。

混凝土收縮可按照CEB-FIP MC90進行計算。

εcs(t,ts)=εcs0βs(t,ts)

(1)

(2)

εcs0=εs(fcm)βRH

(3)

εs(fcm)=[160+10βsc(9-fcm/fcm0)]·10-6

(4)

βRH=-1.55·βSRH

(5)

βSRH=1-(RH/100)3

(6)

本工程相對濕度取80%，水泥類型系數按普通水泥取5，C40混凝土按CEB要求28 d齡期換算平均抗壓強度取40 MPa，板厚120 mm，梁200 mm×700 mm，h/h0取統一值1.4，求得混凝土折算收縮應變齡期曲線如圖4所示。

圖4 混凝土收縮應變齡期曲線

由混凝土收縮曲線可以看出，在混凝土澆筑早期收縮相對較快，為混凝土收縮的快速反應階段。而對于超長混凝土結構，工程上通常設置后澆帶，因此對混凝土收縮要完成兩階段的計算(1)混凝土澆筑至后澆帶封閉時間分段收縮模擬分析；(2)混凝土后澆帶封閉后至使用年限結束后。

混凝土收縮受到約束即在結構內產生收縮應力，在結構設計中，通常把混凝土收縮量換算成相應溫度降低值來進行模擬，稱為當量溫差Tsh。混凝土收縮是引起超長結構產生裂縫的主要原因之一。

民用建筑結構規范沒有提供計算收縮當量溫差的公式，參考JTG D62-2012《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[5]中對混凝土結構收縮當量溫差的定義進行計算：

式中：εsh——混凝土收縮值；α——混凝土溫度線膨脹系數，取1×10-5(1/℃)；

εcs(∞,ts)——混凝土收縮開始至收縮結束時的收縮應變；

εcs(t,ts)——混凝土收縮開始至T時間范圍內的收縮應變(T可取后澆帶封閉時間)；

ts——混凝土收縮開始的時間，可假設為3～7 d。

根據計算公式可知，影響混凝土收縮應變的主要參數有收縮開始時的齡期、計算考慮時刻的混凝土齡期、混凝土強度等級、年平均相對濕度系數、混凝土構件的理論厚度。

結構收縮等效當量溫差可分別近似取1 500、3 000、13 000 d的當量溫度-后澆帶封閉時的當量溫度。

3.3 徐變影響及剛度折減

(1)徐變引起應力松弛

徐變和松弛是一個物理過程的兩種不同反應。鋼筋在較高應力的持續作用下，應變隨時間的增長而持續增加, 當作用時間足夠長時，結構的徐變變形是彈性變形的2～3倍,這種現象稱為“徐變”。若保持受力鋼筋長度不變，鋼筋應力隨時間增長而降低的現象稱為“松弛”。當結構承受某一固定約束變形時，由于徐變性質，其約束應力將隨時間下降，稱之為“應力松弛”[5]。

當溫度作用的時間周期超過混凝土的松弛周期時，混凝土表現為粘滯特性，此時混凝土極限拉伸可以提高1～3倍。當結構配筋率較低(0.15%～1%)時，工程計算中，松弛系數取值可以忽略混凝土硬化前產生的約束變形，僅考慮約束變形后經歷的時間t，得到簡化的應力松弛系數ε，如表1所示。

表1 簡化應力松弛系數表

工程上松弛系數可取0.3～0.5，對于約束應力出現時間較短，并且構件配筋較大區域，可取大值，而約束應力出現時間較長的低配筋區域可以取小值。結構按照彈性計算后應乘以松弛系數來進行應力折減。

考慮結構配筋時的應力松弛系數計算，可按照JTG D62-2012《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》附錄F，先計算得到素混凝土下的徐變系數φ(t-t0)，并考慮混凝土老化系數χ(t-t0)，得到考慮配筋率影響的徐變應力松弛系數：

Rs(t,t0)=1.1/[1+χ(t-t0)·φ(t-t0)]

(7)

其中：χ(t-t0)為混凝土老化系數，取決于加載齡期t0、持續時間(t-t0)以及徐變函數的形式，χ(t-t0)值的范圍為0.5～1.0，平均值為0.82。

(2)剛度折減系數

混凝土在溫度作用下可自由伸縮時，結構內不會產生應力，但當溫度作用下變形受到約束時，結構內將會產生溫度應力。約束的平面位置、線剛度等是結構物內產生溫度應力大小的決定因素。

對混凝土受拉構件的理論和試驗研究表明，溫度作用下混凝土變形受到約束，內力持續增加，當混凝土受到的拉應力大于混凝土抗拉強度時，混凝土開始出現裂縫。此時剛度降低，內力減小，當溫度變形再次增大時，重復上述過程，因此典型的時間內力曲線呈鋸齒狀。裂縫發展越多，剛度降低越大，對允許開裂的普通混凝土結構在做溫度效應分析時，可考慮混凝土開裂等因素引起的結構剛度降低。預應力混凝土結構的裂縫控制等級為三級時，允許裂縫的開展，此時剛度折減同普通混凝土結構。為了限制結構裂縫開裂數量和寬度在可以接受范圍內，工程上考慮溫度裂縫剛度折減的系數取0.85。預應力混凝土結構的裂縫控制為一級、二級時，計算溫度效應分析時，不應考慮結構剛度折減。

3.4 溫度工況組合

建筑結構設計時，首先應采取有效構造措施來減少或消除溫度作用效應，如設置結構的活動支座或節點，設置溫度縫，采用隔熱保溫措施等。當結構或構件在溫度作用和其他可能組合的荷載共同作用下的效應(應力或變形)可能超過承載力極限狀態或正常使用極限狀態時(如結構某一方向平面尺寸超過伸縮縫最大間距或溫度區段長度、結構約束較大等)，結構設計中一般應考慮溫度作用。

作為結構的可變荷載之一，溫度作用應根據結構施工和使用期間可能同時出現的情況考慮與其他可變荷載的組合。GB50009-2012《建筑結構荷載規范》中規定溫度作用的組合值系數、頻遇值系數和準永久值系數可分別取0.6、0.5和0.4。

4 超長混凝土結構計算分析

對超長混凝土結構應采取計算詳細分析雨棚在溫度工況下的樓板應力，并根據計算結果采取必要的措施來防止雨棚產生溫度裂縫。本工程采用通用有限元MIDAS GEN[6]進行溫度應力分析。

將雨棚在不同工況下的應力進行分布計算并進行疊加，考慮不同組合(如表2所示)，根據計算結果進行指導配筋。

表2 不同組合下雨棚結構計算結果

在溫度荷載工況下(僅升溫作用ΔT=40 ℃)，雨棚從中間向周邊變形，在邊緣處產生最大拉應力為1.11 MPa，此為溫度作用對板產生的附加應力。

在溫度荷載工況下(僅降溫作用ΔT=-25 ℃)，雨棚從兩邊向中間變形，在邊緣處產生最大拉應力為0.69 MPa，此為溫度作用對板產生的附加應力。

根據計算可知，樓板在溫度荷載作用下，附加應力超過1.11 MPa，需要在混凝土樓板內配置預應力抗裂鋼絞線來抵抗溫度作用產生的應力。

設計在屋面板內順軌道方向均設置了單束φs15.2@800無粘結預應力溫度筋，以增加樓板的剛度及抗裂性能，可在板內產生1.08 MPa的預壓力。考慮預應力作用后，板在溫度作用下產生的拉應力小于混凝土抗拉應力，并可以部分抵消混凝土收縮和溫度應力的不利影響。

5 超長結構處理措施

(1)對超長混凝土結構施加預應力

對超長混凝土結構施加預應力是不設或少設伸縮縫最為普遍和有效的一種措施。通常是在雙向框架梁中配置有粘結預應力筋，在樓板中沿結構縱向配置無粘結預應力筋。

一般情況下對大跨度混凝土梁施加預應力是為了滿足承載能力的需要，即施加預應力主要為“平衡”部分豎向荷載和建立滿足裂縫控制的預應力度。而施加預應力的構件在截面中建立一定量的預壓應力，可以抵消或降低溫差和混凝土收縮產生的拉應力，并使之小于混凝土的極限抗拉應力，因而避免了混凝土開裂。而在超長混凝土板(或梁)中專門設置預應力溫度筋的目的僅為使超長混凝土構件產生預壓應力，具備抵抗溫度變化和收縮變形的能力，一般并不承擔豎向荷載。

(2)在梁板內設置抗溫度應力構造筋

在梁板內設置抗溫度應力筋也是在設計中經常采用的一種措施。當采用預應力筋作為抗溫度筋時，通常是在構件軸心處設置直線形預應力鋼筋或鋼絲。其預壓應力較低，一般控制在1～1.5 MPa。僅為控制溫度應力而言，對于樓板所需建立的預壓應力一般不小于0.7 MPa。

當采用普通非預應力鋼筋作為抗溫度筋時，在樓板計算配筋的基礎上，適當提高構件的配筋率，此部分鋼筋應雙層雙向通長布置，間距宜≤150 mm。

(3)采用后澆帶或膨脹加強帶

采用后澆帶將超長混凝土結構分成若干能滿足混凝土收縮變形的區域，以達到緩解混凝土結硬過程中的收縮應力而避免現澆的結構產生裂縫。后澆帶寬度一般為1～2 m，時間間隔一般控制在45～60 d。為防止新、老混凝土結合部位開裂，后澆帶內的混凝土可摻加一定量的膨脹劑形成補償收縮混凝土。當分隔后的區域仍較大時，可以在區域內加設“膨脹帶”來增強該區域混凝土的抗收縮能力。因后澆帶施工需要一定間隔時間，對工期有所影響，采用膨脹帶則可與主體結構同步施工，所以近年來出現以膨脹帶替代后澆帶實現超長混凝土結構的“無帶”設計。

(4)摻入抗裂纖維

解決混凝土開裂的方式分為“抗”和“放”，“抗”主要是提高混凝土的抗裂性。在混凝土中增添鋼纖維或聚丙烯纖維或根據不同的需求采用不同配比[7]，按照合理的方式進行纖維配比也可以起到提高混凝土抗裂的作用。

(5)加強施工期間的養護

工程實踐表明，混凝土結構在施工期間產生的開裂大多是由混凝土澆筑后的養護措施不當造成的。采用蓄水養護、塑料薄膜覆蓋、設置保溫、隔熱層等是使超長混凝土結構避免產生溫差或收縮裂縫的重要防護措施。實踐表明, 在風速較大時, 梁內水分過快蒸發會導致混凝土收縮拉應力迅速增加而加劇裂縫現象。為解決過大溫差, 采取設保溫層和蓄水養護使頂板與底板溫差控制在10℃內, 抗收縮效果良好。

6 結論

(1)由于重慶西站雨棚屬于雙向超長結構，遠遠超過規范的不設縫限值范圍要求,設計必須考慮溫度作用的影響。本文介紹了如何采用計算及構造措施來解決超長混凝土設計問題。

(2)詳細介紹了超長混凝土結構溫度荷載取值計算方法，收縮當量溫差計算方法，徐變和剛度折減計算方法。

(3)計算了恒、活工況下樓板應力以及單純升、降溫工況下的樓板應力，并根據計算得到的樓板拉應力配置板內無粘結預應力鋼絞線保證在溫度荷載工況下板不出現拉應力。

(4)介紹了超長結構的常用處理措施，除通過計算采取主動控制措施外，采取合理的構造措施也可以減小溫度作用下產生的裂縫。

[1] GB 50010-2010 混凝土結構設計規范[S]. GB 50010-2010 Code for design of concrete structures[S].

[2] GB 50009-2012 建筑結構荷載規范[S]. GB 50009-2012 Load code for the design of building structures[S].

[3] 賈堅.城市地下綜合體設計實踐[M].上海：同濟大學出版社，2016. JIA Jian. Design of Underground Complex[M].Shanghai:Tongji University Press, 2016.

[4] GB 50009-2012 建筑結構荷載規范理解和應用[S]. GB 50009-2012 Understanging and applying of Load code for the design of building structures[S].

[5] JTG D62-2012 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S]. JTG D62-2012 Code for Design of Highway Reinforced Concrete and Prestressed Concrete Bridges and Culverts[S].

[6] 王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業出版社,1997. WANG Tiemeng. Control of cracking in engineering structure[M]. Beijing:China Building Industry Press,1997.

[7] 劉天鸞.全埋式地下結構設計[J].建筑結構，2013，43(S1):42-45. LIU Tianluan. Design on all buried underground structure[J]. Building Structure, 2013，43(S1):42-45.

Structure Analysis of Over-long Concrete Canopy in Chongqing West Station

LIU Tianluan1GAO Xiliang2LIU Chuanping1SONG Yang2

(1. Architecture Design & Research Institute of Tongji University, Shanghai 200092，China；2. China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd., Chengdu 610031,China)

Chongqing west railway station concrete canopy plane is all belong to super long structure, temperature effect directly affects the structure stress. In the design, using the finite element analysis the floor stress under different temperature, and considering concrete shrinkage and creep, internal force of framework, according to the calculation results strengthening the reinforcement design and structural measures. During construction process, setting post-cast strip, using compensation shrinkage concrete anti-crack fiber concrete, setting expansion strengthening belt, setting the prestressed reinforcement,etc., reducing the construction process and resisting the temperature and concrete shrinkage and creep effect in the using process. Under the premise of the original structure meeting the requirements of architectural space and modelling, the design goals of super-long concrete canopy structure without seam is achieved, providing a reference for similar engineering design.

over-long structure；concrete canopy；temperature stress

2016-06-08

劉天鸞(1981-)，男，工程師。

1674—8247(2016)05—0025—05

TU226

A