“橋建合一”高架車站中收縮、徐變及溫度力影響的分析.doc

“橋建合一”高架車站中收縮、徐變及溫度力影響的分析摘要：結(jié)合高架車站設(shè)計實例，對空間剛架體系的“橋建合一”高架車站結(jié)構(gòu)中收縮、徐變以及溫度的影響進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果給出建議性的控制措施。關(guān)鍵詞：橋建合一，高架車站，收縮，徐變，溫度Analysis of Effects Caused by Shrinkage，Creep and Temperature on Overhead Station Designed by the Method of Combination of Bridge and BuildingAbstract：Several restraining measures on overhead station designed by the method of combination of bridge and building are presented through the analysis of effects caused by shrinkage，creep and temperature.Key words：combination of bridge and building，overhead station, shrinkage，creep，temperature1概述我國城市軌道交通建設(shè)正面臨大發(fā)展的機(jī)遇。城市軌道交通體系按走行方式劃分為地面、地下和高架三種。城市軌道交通建設(shè)的高架化，使高架車站應(yīng)運而生。高架車站屬地上高架結(jié)構(gòu),軌道列車運行于結(jié)構(gòu)最上層。高架車站既不是單一的房屋結(jié)構(gòu),也不是單一的橋梁結(jié)構(gòu),而是橋梁和房建融合在一起的結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)高架車站軌道梁與站房之間的關(guān)系，高架車站可分為兩類：“橋建分離”(即區(qū)間橋梁與車站站房完全分開)與“橋建合一”(即區(qū)間橋梁與車站站房合修) （見圖1、圖2）?！皹蚪ê弦弧钡母呒苘囌局袠蛄旱纳w梁、墩柱、基礎(chǔ)為橋梁結(jié)構(gòu)和房建結(jié)構(gòu)共有，橋梁的橫向框架通過房建結(jié)構(gòu)縱向梁板整體聯(lián)結(jié)，形成空間框架體系，承受列車荷載作用的軌道梁支撐于橋梁的橫向框架之上。兩種不同類型的車站各有不同的特點：“橋建分離”的結(jié)構(gòu)形式雖然結(jié)構(gòu)受力明確，方便設(shè)計，但后者卻方便乘客換乘、且結(jié)構(gòu)緊湊、整體性強(qiáng)，隨著設(shè)計理論的完善和設(shè)計工具的進(jìn)步，后者將在設(shè)計中具有更強(qiáng)的競爭力。車站結(jié)構(gòu)中不可忽視的收縮、徐變及溫度力通常是這種“橋建合一”高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計中的控制因素，本文結(jié)合高架車站設(shè)計實例，從受力分析以及構(gòu)造措施上做了一些探討，以供城市軌道交通高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。 圖1“橋建合一”高架車站立面圖 圖 2 “橋建合一“高架車站橫斷面2“橋建合一”高架車站受力特征及設(shè)計 “橋建合一”的高架車站中的橫向橋墩框架要承受由軌道梁傳來的列車荷載，同時還要承受站臺和站廳通過房建的縱向梁板體系傳過來的人群、設(shè)備、房屋建筑等荷載重量。車站結(jié)構(gòu)中的墩、柱、橫梁不再是單純意義上的房建構(gòu)件?！皹蚪ê弦弧钡能囌?，它既屬房建結(jié)構(gòu)，同時因列車在其上通過，又具有橋梁結(jié)構(gòu)的特點。由于“建橋合一”是兩種不同的受力體系結(jié)合在一起，沒有現(xiàn)行統(tǒng)一的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)可循。設(shè)計時，必須對不同構(gòu)件，采用不同的規(guī)范進(jìn)行綜合分析，軌道梁須滿足“鐵規(guī)”要求，而擱置軌道梁的框架橫梁、框架柱、基礎(chǔ)必須同時滿足“建規(guī)”和“鐵規(guī)”，其余結(jié)構(gòu)需滿足“建規(guī)”的要求。也就是說這種“橋建合一”的高架車站主要承重構(gòu)件都必須要滿足現(xiàn)行鐵路規(guī)范和房建規(guī)范的要求，一般的房建框架結(jié)構(gòu)的梁柱等構(gòu)件只要滿足“房建”規(guī)范即可，這一點兩者是不相同的。兩種不同規(guī)范體系，不僅在計算理論和計算方法上存在著較大的差異，而且在荷載的取值上也存在著較大的差異，前者目前采用的是極限狀態(tài)法而后者則采用的是容許應(yīng)力法；在荷載的取值上，“房建”規(guī)范在荷載組合中不組合結(jié)構(gòu)的溫度、收縮徐變效應(yīng)，而是采取構(gòu)造措施來減小這些效應(yīng)的影響，如：混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范【1】規(guī)定室內(nèi)或土中現(xiàn)澆式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的伸縮縫的最大間距為55m，露天現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的伸縮縫最大間距為35m；鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范【2】中對混凝土徐變收縮規(guī)定為結(jié)構(gòu)的恒載，對于整體灌注的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中收縮效應(yīng)可按整體降溫15，分段灌注的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可按整體降溫10考慮。“橋建合一”高架車站結(jié)構(gòu)，當(dāng)軌道梁、房建專業(yè)的縱梁與橫向橋墩框架體系采取剛結(jié)的形式形成空間框架體系時，因為聯(lián)長較長且內(nèi)部超靜定次數(shù)比較多，由于混凝土的收縮、徐變以及升降溫等引起的結(jié)構(gòu)次內(nèi)力往往就會成為設(shè)計中的控制因素。如何在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理的設(shè)計結(jié)構(gòu)成為設(shè)計者最為關(guān)心的問題。3計算模型的建立以深圳地鐵3號線的高架車站為例，對混凝土收縮、徐變以及溫度力對空間剛架體系的“橋建合一“高架車站的影響進(jìn)行分析。車站結(jié)構(gòu)按如下方式進(jìn)行模擬：車站墩、柱、橋墩蓋梁、軌道梁、房建結(jié)構(gòu)的縱橫梁均按空間梁單元模擬，車站的站廳樓板、站臺等采用每節(jié)點6自由度的彈性薄板單元模擬。圖3 車站空間有限元模型4收縮、徐變、溫度力的影響及控制措施空間剛架體系的高架車站中，收縮、徐變、溫度力對結(jié)構(gòu)的影響是比較大的，這一點在車站的主要承重構(gòu)件中尤其明顯。收縮、系統(tǒng)的整體降溫將使車站兩端墩柱底部產(chǎn)生很大的彎矩，雖然徐變效應(yīng)在一定程度上能對其產(chǎn)生一定的抵消作用，但三者的綜合作用仍是控制墩柱設(shè)計的控制因素；而且徐變、及系統(tǒng)整體升溫對墩底的效應(yīng)時同向的，在含有以上兩項的組合中，車站端墩的反向彎矩也是比較大的。同時由于車站在受到以上作用力的同時，還可能受到風(fēng)荷載的作用，車站的橋墩將是一個雙向受力的構(gòu)件，在按現(xiàn)行鐵路規(guī)范中“容許應(yīng)力法”對構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計時又必須要考慮到雙向受彎構(gòu)件的“應(yīng)力重分布效應(yīng)”。當(dāng)車站結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理時，很容易導(dǎo)致靠近站端的墩柱不能滿足規(guī)范的要求，同時因為墩底外力的增加給車站的基礎(chǔ)設(shè)計帶來較大的困難，因此對于此類車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，必須要注意盡量減小收縮、徐變、溫度力對車站結(jié)構(gòu)的影響。筆者以設(shè)計深圳地鐵高架車站的經(jīng)歷，歸納以下幾點：（1） 設(shè)置后澆帶混凝土的徐變、收縮與混凝土的組成材料及其配合比，周圍環(huán)境的溫度、濕度、構(gòu)件截面形式、混凝土的養(yǎng)護(hù)條件、混凝土的齡期等諸多因素都有關(guān)系，收縮主要是由水泥漿的凝結(jié)而產(chǎn)生，且總是和徐變伴隨發(fā)生的，混凝土收縮產(chǎn)生收縮力，而徐變的發(fā)生則使收縮力在一定程度上抵消，混凝土的收縮、徐變主要發(fā)生在混凝土澆注后的前幾個月，到后期發(fā)展則較為緩慢?！皹蚪ê弦弧钡母呒苘囌疽话愣际嵌啻纬o定結(jié)構(gòu)，跨度小，但聯(lián)長較長；通過設(shè)置后澆帶，對車站進(jìn)行分段澆注，讓一部分收縮、徐變發(fā)生在結(jié)構(gòu)合攏以前，從而可以減小收縮對結(jié)構(gòu)的影響。前文也提到過，鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范【3】中對分段灌注的混凝土結(jié)構(gòu)的收縮、徐變力按降溫等效的計算時在一定程度上也給予了一定的酌減。以下（圖4）是我國南方某城市的高架車站按整體澆注與設(shè)置后澆帶后邊墩墩底的內(nèi)力值，通過對比分析我們可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)置后澆帶能有效減小收縮、徐變所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。 圖4 整體澆注與設(shè)置后澆帶端墩墩底橫橋向彎矩（2） 合理選定墩柱尺寸系統(tǒng)的整體升、降溫都將在超靜定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生次內(nèi)力，對于墩柱高度較小、剛度較大的且縱橫梁固結(jié)的車站結(jié)構(gòu)，溫度力通常會成為控制設(shè)計的主要因素，墩柱的截面大小對溫度力有著非常明顯的影響：加大墩柱的截面面積能夠提高墩柱本身的承載能力，但同時因為墩柱剛度的增加，從而導(dǎo)致墩柱中溫度力的增加。因此設(shè)計中一定要注意選擇合理的截面大小，合理的截面不僅能夠優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力還能節(jié)約材料，以下是某高架車站墩柱在不同的截面形式下，構(gòu)件的內(nèi)力、配筋及鋼筋應(yīng)力情況。表 1 墩柱尺寸對墩底內(nèi)力的影響墩柱尺寸（m）順橋向彎矩（kNm）配筋鋼筋應(yīng)力（MPa）1.51.55072.12/2896.10/6450.206232227.31.51.45043.27/2759.27/5470.625432227.61.51.35018.99/2617.00/4733.005232216.21.51.24999.78/2468.48/4045.665032201.8通過上表中的計算結(jié)果可以看出：隨著墩柱尺寸的加大，墩底的橫橋向彎矩顯著增加，盡管截面增大，鋼筋的用量也增多，但鋼筋的應(yīng)力仍然有增大的趨勢。因此合理的選取墩柱尺寸對改善結(jié)構(gòu)受力，有比較顯著的影響。（3） 施工過程調(diào)控當(dāng)通過設(shè)置后澆帶以及調(diào)整墩柱截面的截面尺寸等都不能將結(jié)構(gòu)的受力調(diào)整到一個比較合理的受力范圍時，可以考慮在施工方法上采取一些措施：如在橋墩施工完成以后在墩頂進(jìn)行頂推。因為按照鐵路規(guī)范結(jié)構(gòu)的收縮、徐變均為恒載，恒載是需要與系統(tǒng)的整體升、降溫進(jìn)行組合。當(dāng)收縮、徐變與系統(tǒng)降溫進(jìn)行組合是疊加的關(guān)系其效應(yīng)比與系統(tǒng)升溫組合要大，通過在邊墩墩頂向車站外側(cè)進(jìn)行頂推，可以給墩柱施加一個和收縮以及降溫效應(yīng)反向的力，可以改善結(jié)構(gòu)尤其是墩柱中的內(nèi)力，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計；但頂推中采用的力的大小一定要合理，力太小達(dá)不到預(yù)期的效果，太大則對結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力不利。因此在確定頂推方案時對選用一定要通過計算確定，尤其需要計算在含有系統(tǒng)整體升溫情況下墩柱受力狀況，以下是某高架車站的在在不采用與采用墩頂頂推的施工工藝下墩柱的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、配筋及鋼筋應(yīng)力的情況，僅列出受力最大1、5、6軸橋墩框架的墩底內(nèi)力。表 2 頂推措施對墩底內(nèi)力的影響墩柱頂推前順橋向彎矩（單位：kNm）頂推后順橋向彎矩（單位：kNm）最大最小最大最小14543-22553855-294351719-41962235-367961285-24661677-2075根據(jù)對上表計算結(jié)果分析可以看出，在車站橋墩施工完畢后，通過在橋墩墩頂頂推，可以很好的調(diào)節(jié)墩柱底部彎矩，使墩柱兩側(cè)的彎矩更加均衡，有效改善車站橋墩受力。5. 結(jié)束語隨著城市軌道交