某地鐵運行庫上蓋超長混凝土結構溫度效應探析

陳 峰

(福州市建筑科學研究院有限公司 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，且為超長結構，利用其上部空間進行房產物業開發，有效提高城市土地利用率，具有較為廣闊的應用前景。但為了利用其上部空間，往往需要進行轉換層結構設計[1-2]。在實際工程中，考慮到使用功能和外觀上的需要，越來越多的設計人員采用不設伸縮縫的超長混凝土結構。因此，設計時必須考慮超長混凝土結構的溫度效應對結構的影響，且應采取相應措施消除可能產生的不利影響[3-4]。目前，關于超長結構溫度應力研究已有較多相關文獻，但對于這種厚板轉換結構的復雜超長結構，相關報道并不多見，主要是這種類型結構少有，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換層超長結構的多尺度有限元模型，可以準確考慮結構實際溫度效應問題，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構，整體結構設計存在扭轉不規則，凹凸不規則，剛度突變，豎向構件不連續(厚板轉換層、轉換暗梁)，承載力突變，斜墻等眾多不規則項，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分區上方，利用這些分區預留的墻柱豎向構件來轉換上部的3#塔樓、5#塔樓，結構布置如圖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，轉換層及轉換層下一層樓板長度為129m，寬度為46.5m，屬于超長混凝土結構。故本次溫度應力分析的范圍為三層的轉換厚板(含轉換暗梁)及二層的超長樓板，塔樓溫度效應很小，不做考慮。

圖1 結構剖面示意圖

圖2 車庫頂結構平面圖

圖3 A3#、A5#塔樓車庫頂(含轉換層)結構平面圖

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轉換層的厚板(含轉換暗梁)，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換板(含暗梁)及厚板上下剪力墻實體單元網格，如圖4～圖5所示。

圖4 MIDAS/GEN整體多尺度有限元模型

圖5 厚板轉換層及上下墻體實體單元及網格劃分

2.2 溫度作用的確定

溫度作用對于結構的影響較為復雜，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溫差和混凝土的收縮當量溫差，以及徐變對混凝土結構溫度應力的折減。

2.2.1 季節溫差

根據參考文獻[7]研究，本次分析選定季節溫差為±31℃。

2.2.2 混凝土收縮當量溫差

根據參考文獻[8]的研究，混凝土的收縮當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α=1.0×105/℃，考慮各種非標準條件的修正系數的取值，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

考慮到混凝土徐變引起溫度應力的巨大卸載效應，本次分析取0.3的松弛系數[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力分析

3.1 厚板轉換層樓板的變形及應力

溫降工況下，厚板轉換層變形和應力計算結果如圖6～圖9所示。從圖6和圖7可看出結構發生了明顯收縮變形。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構兩端位置，靠近結構對稱位置變形則逐漸減小。由圖8～圖9可知，應力主要集中在洞口、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向最大受拉正應力7.87 MPa，Y向最大受拉正應力6.52 MPa，非應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構開裂。

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向正應力σxx(單位：MPa)

圖9 溫降工況下厚板Y向正應力σyy(單位：MPa)

3.2 二層超長樓板變形及應力分析結果

溫降工況下，二層超長樓板變形和應力計算結果如圖10～圖13所示。從圖10和圖11可以看出結構發生了明顯收縮變形，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構兩端位置，靠近結構對稱位置變形則逐漸減小。由圖12～圖13可知，應力也是集中在剪力墻集中部位或柱距較小處，X向最大受拉正應力12.64 MPa，Y向最大受拉正應力8.17 MPa，非應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構開裂。

圖14 膨脹加強帶設置位置

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向正應力σxx(單位：MPa)

圖13 溫降工況下板Y向正應力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：轉換層厚板X向最大拉應力為4.12 MPa，Y向最大拉應力值為3.41 MPa；二層超長樓板X向最大拉應力為6.61 MPa，Y向最大拉應力值為4.27 MPa。由分析結果可知，采用微膨脹混凝土之后，樓板的溫度應力大大降低，但超過了混凝土的抗拉強度。

4.2 采用膨脹加強帶

為了減小結構在溫度作用下的應力，在拉應力較大、應力集中以及截面突變等部位設置膨脹加強帶，設置3道膨脹加強帶如圖14所示，帶寬2 m，帶的兩側布置5 mm的密孔鋼絲網，將帶內混凝土與帶外混凝土分隔開，鋼絲網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℃，所以設置膨脹加強帶后綜合溫差為：ΔT= (-31-27+30)×0.3=-8.4℃。分析結果表明：樓板溫度應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的有效控制，實測溫度應力結果也證明了所采取的措施可靠有效。

5 結論

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

(1)在未考慮溫控措施時，溫降作用下，轉換厚板X向最大拉應力為7.87 MPa，最大變形值為8.24 mm；Y向最大拉應力值為6.52 MPa，最大變形值為2.38 mm；二層超長樓板X向最大拉應力為12.64 MPa，最大變形值為9.07 mm；Y向最大拉應力值為8.17 MPa，最大變形值為5.04 mm。溫度效應十分明顯，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(包括各方向的變形和應力情況)均大于轉換層厚板的溫度效應。超長樓板的變形呈現兩端大中間小的情況，而溫度應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生應力集中，設計時應重點考慮。

(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，控制效果顯著，實測溫度應力結果也證明了所采取的措施可靠有效。該工程已經投入使用兩年，混凝土板均未出現裂縫、開裂等問題。