國鐵站房超長結構溫度應力分析

孫天榮

由于我國城市化發展建設歷程的推進，大眾對公共建筑設施的舒適性和功能性要求越來越高，因此，一些大型的公共設施正逐漸向超長、超高和大空間方向發展。與此同時，超長建筑物的出現給結構的設計和施工帶來了一系列問題，由于超長混凝土結構內部自身收縮，以及在水泥水化熱的作用下，結構產生了較大的溫度應力，容易引起構件表面不均勻變化，使結構內部應力和應變更加復雜，產生不同程度的開裂，影響結構的承載力和安全性能，因此對設計和施工也提出了更高要求。

處于環境中的混凝土構件，由于氣溫的變化，使得混凝土內外產生了溫差，形成溫度應力，常常會使結構產生裂縫，從而降低結構的抗裂性和穩定性。在大尺寸混凝土構件中，水泥硬化前期放出大量的熱，而混凝土同一方向傳熱較慢，使構件不同位置產生較大溫差，在表面形成拉應力；后期混凝土由于體積膨脹受到基礎或原結構的阻礙約束，表面也會產生拉應力；同時，結構內外溫差和復雜多變的周圍環境也會使混凝土產生很大的拉應力。當拉應力超過混凝土的抗裂強度時，混凝土表面會出現開裂，拉應力得到釋放，構件強度降低。因此掌握混凝土結構的溫度應力變化規律，了解結構溫度應力形成的原理和特性，并采取適當措施有效避免，對大尺寸混凝土結構的合理設計和施工意義重大。

一、工程概況

某國鐵站廳站房總建筑面積為49964.8m2。主體結構為四層，高35m，候車室由東、西站房和高架候車室組成。

該站房地上、地下均為兩層，其中地上二層為候車層，地面層為站臺層，地下一層為廣場層，地下二層為出站層，地面上兩層之間設有辦公和商業夾層，具體樓層關系見圖1虛線范圍區域。

圖1 樓層關系圖

站廳層位于地上二層，主要功能是為旅客提供候車場所，站廳層總長226m，寬122～137m，混凝土結構不設施工縫，強度為C35，圖2為站廳層平面圖。

圖2 站廳層平面圖

選取該站廳層為主要分析對象建立模型，采用SAP有限元軟件進行模擬，分析該層雙向超長結構的溫度應力。

二、建模計算及結果分析

1.溫度荷載確定

根據氣象局提供的該項目地區氣溫數據，可以得到：

根據圖3確定溫度計算的基本參數取值如下表所示，其中正常工作情況為有暖氣或空調，非正常情況為無暖氣無空調。

表1 計算溫度基本參數取值

圖3 氣溫變化圖

據相關資料分析，混凝土結構終凝溫度取值范圍一般為10～30℃，應結合不同地區和具體工程實際選取。

溫度荷載的確定需要考慮眾多因素，包括混凝土收縮、季節溫差、溫度驟變和日落后夜間形成的內高外低的溫差；考慮混凝土徐變、覆土影響，并對開裂后構件進行剛度折減，對溫度荷載進行適當折減；最后通過線性分布法模擬，得到構件計算溫度。主要的溫度荷載取值方法如下：

（1）混凝土收縮計算

混凝土溫差自由應變為

式中：α為混凝土線膨脹系數，α=10-5/℃；

假定結構后澆帶為兩個月，結合該工程設計和施工實際情況，假定混凝土已完成大部分收縮變形，根據文獻分析，混凝土收縮當量可用等效溫差值表示，后期結構殘余變形為5.0×10-5，由此

（2）季節溫差

季節性溫差由于溫度變化呈現出周期性、反復性的發展規律，秋冬尤其明顯。在計算時，可采用正常使用時結構中面計算溫度T中與混凝土達到終凝時的溫度T凝兩者之差來表示：

施工過程中，混凝土結構通過自身熱脹冷縮作用也會產生溫度應力，計算時可通過混凝土收縮等效溫差與季節溫差相疊加。

（3）溫度驟變

溫度驟變會使結構內部和外部之間產生溫度差，且溫度差會隨時間交替變化，假定該項目地區夏季最高氣溫平均值為39.0℃，冬季最低氣溫平均值為-11.0℃。

（4）晝夜溫差

混凝土由于晝夜更替形成溫度梯度，并隨時間呈周期性變化，產生內高外低間歇性時間段溫差。

表2 主要的溫度荷載工況

綜上：在最不利工況下，確定站廳層樓板溫度為-8.25℃。

2.模型建立及結果分析

對站房整體建模，對結構進行有限元計算，模擬分析各溫度荷載工況下模型結構內力和截面應力，圖4為SAP建立的溫度應力荷載分析模型。

圖4 SAP溫度應力荷載分析模型

通過SAP有限元分析，得到溫度荷載工況下結構的板面應力如圖5所示（只顯示站廳層部分）。

圖5 站廳層樓板溫度應力（MPa）

圖5為樓板不同荷載工況下溫度應力計算圖示。如圖5所示，板面應力分布均勻、連續變化，靠近框架柱（約束大）應力較大，而在周邊應力較小。

從圖5可以得出，框架柱附近處的應力較大，在樓層邊緣處的溫度應力較框架柱的小。原因是框架柱的整體剛度大，樓板降溫收縮受到原混凝土的約束較大，拉應力也較大；相反，相對豎向構件而言，邊梁的側向剛度要弱許多，原因是樓層周邊只有邊梁對樓板有約束作用。

樓板產生的溫度應力穩定在0.3 MPa左右，在框架柱附近，消峰后極限應力約為2.5 MPa。由此可見，溫度荷載產生的拉應力與混凝土抗拉強度已比較接近，若不采取措施，如加強配置溫度應力鋼筋等，混凝土表面會出現開裂，影響結構的外觀和使用性能。

3.溫度鋼筋配置

根據文獻資料及專家意見得，溫度荷載計算結果應當與其它荷載組合分開計算，所得配筋結果可等效為增量鋼筋附加到原有抗彎設計的鋼筋量中。

普遍區域：

站廳層樓板：σ=0.3 MPa，取1 m板寬計算，軸向拉力：

N＝0.3×1000×150＝45 kN

單層單向增加配筋面積：

As＝N/fy/2=45000/360/2=62.5 mm2

本工程可在施工圖階段一層樓板普遍區域配置溫度鋼筋雙層雙向8@300 mm。

框架柱邊：σ=2.5 MPa，按照一層樓板計算方法，可以得到單層單向增加配筋520 mm2，配置溫度鋼筋雙層雙向10@150mm。

三、減少溫度應力措施

根據模型分析結果，為了減輕溫度應力對混凝土結構內力和截面應力的影響，有效控制裂縫的發展，可以通過控制溫度條件和改進構件約束條件實現。

1.控制溫度措施

（1）改善材料品質和骨料級配，采用符合要求的連續粒級或較大粒度的骨料級配，避免單一粒級?？蛇x用干硬性混凝土減少水泥產生的水化熱，混合料摻適量外加劑減少水泥用量，控制結構表面和內部由于溫差產生的拉應力。

（2）控制混凝土的拌和溫度，如采用直接通入冷水，或加入冷卻的碎石等方法。

（3）制定嚴密的施工組織計劃，確定混凝土構件脫模時間，加強養護，采取保溫隔熱措施，有效防止溫度驟變，減少惡劣環境產生的溫度應力。

（4）熱天對外圍結構隔熱，保證良好的散熱條件，減少澆筑厚度，在寒冷季節采取保溫措施。

（5）選擇適當的結構長度和分層厚度，施工中暴露的混凝土澆筑塊表面，增加散熱面積。

2.改進約束條件措施

（1）在結構上盡量減少應力集中的布置，合理分縫分塊，變超靜定結構為自由變形結構，以減少約束應力；

（2）避免基礎起伏過大；

（3）設計時可局部斷開或開洞減少約束，超長混凝土板解除部分不必要的約束，或通過其他構件處理方式釋放約束，減少溫度應力。

此外，為提高混凝土的結構強度，改善混凝土抗裂性能，應當正確認識溫度應力產生的原因，并根據不同原因采取相應措施。可以添加具有抗裂特性的纖維，適量提高配筋率，采用預應力構件等途徑提高混凝土的抗裂性能等。抗裂纖維是經過特殊工藝技術生產而成的單絲粗纖維，外形輪廓分明，表面有粗糙的螺紋狀，具有混凝土抗裂特性，如鋼纖維或者聚丙乙烯纖維等?？梢院艽蟪潭忍岣呋炷恋目節B、抗裂和抗沖擊性能，有效抑制混凝土及水泥砂漿早期的收縮裂縫和沉降裂縫，延長超長工程的服役周期，縮減工程維修和加固的成本。

四、結語

本文綜合考慮影響大型混凝土結構溫度荷載的不同因素，通過某超長站房溫度應力分析實例，在夏季和冬季正常情況和施工階段分別分析結構的溫度應力作用。結果表明，采用文中采用的溫度應力分析方法，可以較準確地給出國鐵站房超長結構由于溫度變化導致的結構內力和截面應力，根據模型分析結構提出減少溫度應力的措施，可以為施工圖的設計起到顯著的指導作用。