某地铁运行库上盖超长混凝土结构温度效应探析

陈 峰

(福州市建筑科学研究院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

地铁车辆基地运用库是全线车辆停放和检修的主要场所，占地面积大，且为超长结构，利用其上部空间进行房产物业开发，有效提高城市土地利用率，具有较为广阔的应用前景。但为了利用其上部空间，往往需要进行转换层结构设计[1-2]。在实际工程中，考虑到使用功能和外观上的需要，越来越多的设计人员采用不设伸缩缝的超长混凝土结构。因此，设计时必须考虑超长混凝土结构的温度效应对结构的影响，且应采取相应措施消除可能产生的不利影响[3-4]。目前，关于超长结构温度应力研究已有较多相关文献，但对于这种厚板转换结构的复杂超长结构，相关报道并不多见，主要是这种类型结构少有，且如何考虑厚板的实际情况，需要有强大的分析计算方法。多尺度有限元分析方法则提供了这种可能性[5-6]。本文采用MIDAS/GEN有限元软件建立了某地铁上盖厚板转换层超长结构的多尺度有限元模型，可以准确考虑结构实际温度效应问题，以期为类似工程或研究提供参考。

1 工程概况

某地铁车辆基地运用库上盖的3#塔楼和5#塔楼，为钢筋混凝土框支剪力墙结构，整体结构设计存在扭转不规则，凹凸不规则，刚度突变，竖向构件不连续(厚板转换层、转换暗梁)，承载力突变，斜墙等众多不规则项，属于超限高层建筑工程项目。3#塔楼、5#塔楼位于运用库01-03、01-04及01-05分区上方，利用这些分区预留的墙柱竖向构件来转换上部的3#塔楼、5#塔楼，结构布置如图1～图3所示。

3#塔楼和5#塔楼建筑总高度分别为44.60 m、62.00 m，转换层及转换层下一层楼板长度为129m，宽度为46.5m，属于超长混凝土结构。故本次温度应力分析的范围为三层的转换厚板(含转换暗梁)及二层的超长楼板，塔楼温度效应很小，不做考虑。

图1 结构剖面示意图

图2 车库顶结构平面图

图3 A3#、A5#塔楼车库顶(含转换层)结构平面图

2 有限元分析模型及温度作用确定

2.1 多尺度有限元分析模型

采用MIDAS/GEN 软件进行整体多尺度有限元分析。建模时，为考虑更真实的边界条件，厚度1300mm转换层的厚板(含转换暗梁)，厚板上下剪力墙均采用实体单元，其余剪力墙则采用墙单元，楼板采用板单元，梁、柱采用梁单元，板混凝土强度C40，钢筋等级为HRB400。建模后整楼模型和转换板(含暗梁)及厚板上下剪力墙实体单元网格，如图4～图5所示。

图4 MIDAS/GEN整体多尺度有限元模型

图5 厚板转换层及上下墙体实体单元及网格划分

2.2 温度作用的确定

温度作用对于结构的影响较为复杂，需要考虑因素较多。本次分析中的温度作用(综合温差)考虑的温差因素主要为季节温差和混凝土的收缩当量温差，以及徐变对混凝土结构温度应力的折减。

2.2.1 季节温差

根据参考文献[7]研究，本次分析选定季节温差为±31℃。

2.2.2 混凝土收缩当量温差

根据参考文献[8]的研究，混凝土的收缩当量温差可以按下式确定:

(1)

εy(t)=3.24×10-4·M1·M2…Mn(1-e-0.01t)

(2)

该工程混凝土的收缩量按半年时间考虑，即t=180 d，混凝土的线膨胀系数α=1.0×105/℃，考虑各种非标准条件的修正系数的取值，该工程取M1·M2…Mn= 1.01，代入式(2)，则可得：

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

2.2.3 混凝土徐变参数

考虑到混凝土徐变引起温度应力的巨大卸载效应，本次分析取0.3的松弛系数[9]。

2.2.4 综合温差

由于升温时混凝土受压，对混凝土影响不明显，且与混凝土收缩温差作用相反，故不考虑升温温差影响，仅考虑降温温差影响。于是确定该工程综合温差：ΔT= (-31-27)×0.3=-17.4℃。

3 温降作用下板的变形和应力分析

3.1 厚板转换层楼板的变形及应力

温降工况下，厚板转换层变形和应力计算结果如图6～图9所示。从图6和图7可看出结构发生了明显收缩变形。X向最大变形值为8.24 mm，Y向最大变形值为2.38 mm；且变形较大处均位于结构两端位置，靠近结构对称位置变形则逐渐减小。由图8～图9可知，应力主要集中在洞口、剪力墙集中部位或柱距较小处及厚板与普通楼板交界的角部处，X向最大受拉正应力7.87 MPa，Y向最大受拉正应力6.52 MPa，非应力集中处也大大超过了混凝土的抗拉强度，必须采取必要的温控措施防止结构开裂。

图6 温降工况下板X向变形Dx(单位：mm)

图7 温降工况下板Y向变形Dy(单位：mm)

图8 温降工况下厚板X向正应力σxx(单位：MPa)

图9 温降工况下厚板Y向正应力σyy(单位：MPa)

3.2 二层超长楼板变形及应力分析结果

温降工况下，二层超长楼板变形和应力计算结果如图10～图13所示。从图10和图11可以看出结构发生了明显收缩变形，X向最大变形值为9.07 mm，Y向最大变形值为5.04 mm；同样变形较大处均位于结构两端位置，靠近结构对称位置变形则逐渐减小。由图12～图13可知，应力也是集中在剪力墙集中部位或柱距较小处，X向最大受拉正应力12.64 MPa，Y向最大受拉正应力8.17 MPa，非应力集中处也大大超过了混凝土的抗拉强度，必须采取必要的温控措施防止结构开裂。

图14 膨胀加强带设置位置

图10 温降工况下板X向变形Dx(单位：mm)

图11 温降工况下板Y向变形Dy(单位：mm)

图12 温降工况下板X向正应力σxx(单位：MPa)

图13 温降工况下板Y向正应力σyy(单位：MPa)

4 温控措施研究

4.1 采用微膨胀混凝土

通过采用微膨胀混凝土，可抵抗混凝土当量温差的影响，即综合温差减至为：ΔT= (-31-0)×0.3=-9.1℃。按该温差分析可得：转换层厚板X向最大拉应力为4.12 MPa，Y向最大拉应力值为3.41 MPa；二层超长楼板X向最大拉应力为6.61 MPa，Y向最大拉应力值为4.27 MPa。由分析结果可知，采用微膨胀混凝土之后，楼板的温度应力大大降低，但超过了混凝土的抗拉强度。

4.2 采用膨胀加强带

为了减小结构在温度作用下的应力，在拉应力较大、应力集中以及截面突变等部位设置膨胀加强带，设置3道膨胀加强带如图14所示，带宽2 m，带的两侧布置5 mm的密孔钢丝网，将带内混凝土与带外混凝土分隔开，钢丝网垂直布置在上下层钢筋之间，两端分别绑扎在上下层钢筋上。膨胀加强带混凝土等级为C40，限制膨胀率为3×10-4，等效温差为3×10-4/1×10-5= 30℃，所以设置膨胀加强带后综合温差为：ΔT= (-31-27+30)×0.3=-8.4℃。分析结果表明：楼板温度应力仍然超过混凝土自身的抗拉强度。

4.3 综合措施

因此，该工程采用了膨胀混凝土和膨胀加强带综合措施，采取措施后综合温差为：ΔT=(-31-0+30)×0.3=-0.3℃，保证了超长楼板温度效应的有效控制，实测温度应力结果也证明了所采取的措施可靠有效。

5 结论

根据建立MIDAS/GEN的多尺度整体有限元模型，计算分析了转换厚板及二层超长楼板在温降作用下的温度效应。得到结论如下：

(1)在未考虑温控措施时，温降作用下，转换厚板X向最大拉应力为7.87 MPa，最大变形值为8.24 mm；Y向最大拉应力值为6.52 MPa，最大变形值为2.38 mm；二层超长楼板X向最大拉应力为12.64 MPa，最大变形值为9.07 mm；Y向最大拉应力值为8.17 MPa，最大变形值为5.04 mm。温度效应十分明显，超长楼板在温度作用下必然开裂，需要采取必要的温控措施。

(2)在温降作用下，二层超长混凝土楼板的温度效应(包括各方向的变形和应力情况)均大于转换层厚板的温度效应。超长楼板的变形呈现两端大中间小的情况，而温度应力则在对称轴位置的附近较大，且在洞口、剪力墙集中部位或柱距较小处及厚板与普通楼板交界的角部处容易产生应力集中，设计时应重点考虑。

(3)采用微膨胀混凝土和膨胀加强带综合措施后，大大降低了超长楼板的温度作用及其效应，控制效果显著，实测温度应力结果也证明了所采取的措施可靠有效。该工程已经投入使用两年，混凝土板均未出现裂缝、开裂等问题。