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深圳地鐵8號線高架車站結構溫控防裂研究

2016-04-07 01:10李冰成
山西建筑 2016年1期
關鍵詞:溫度應力

李冰成

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,廣東深圳 518052)

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深圳地鐵8號線高架車站結構溫控防裂研究

李冰成

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,廣東深圳518052)

摘要:以深圳市地鐵8號線高架車站工程為例,論述了溫度應力形成的三個階段及類型,分析了溫度裂縫產生的原因,通過對高架車站結構在溫度荷載下的有限元分析,從設計與施工兩方面,提出了高架車站結構的溫控防裂措施,為類似問題的研究提供了參考。

關鍵詞:高架車站,大懸臂墩柱結構,溫度應力

1 工程概況

深圳市地鐵8號線起點位于鹽田區(qū)鹽田站,終點位于葵涌站,全程32.33 km,其中高架約19 km,地下段約2.6 km,全程預設站點12個,其中高架站11座,大多數為高架三層側式“建—橋合一”結構。

標準高架側式車站[1]位于路中,其結構采用獨柱墩二層蓋梁框架結構體系,車站長126 m,根據功能劃分,車站結構主要由首層(架空層)、2層(站廳層)、3層(站臺夾層)及頂層(站臺層)組成。除頂層采用鋼結構外,首層、2層(站廳層)、3層(站臺層)均采用C40鋼筋混凝土結構。標準高架側式車站結構斷面如圖1所示。對稱雙懸臂上蓋梁承受站臺層樓面,軌道梁,站臺梁及車站鋼雨棚荷載,懸臂長度約10 m。下蓋梁主要承受站廳層樓面荷載及外立面裝修荷載,懸臂長度約10 m。

圖1 標準高架側式車站結構斷面圖

2 溫度應力與溫度裂縫

2.1溫度應力的產生

高架車站結構中溫度應力的形成過程主要可以分成三個階段:

1)從澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束的早期階段。

2)從水泥放熱基本結束至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時的中期階段。

3)混凝土完全冷卻以后的運營過程中的晚期階段。

根據高架車站溫度應力引起的原因,可以將溫度應力分為兩類:

1)由于高架車站結構本身互相約束而出現(xiàn)的自生應力。

2)在高架車站結構部分邊界受到外界的約束而引起的約束應力。

2.2溫度裂縫的形成

造成高架車站結構溫度變形的溫差有三種:1)季節(jié)溫差; 2)內外溫差;3)日照溫差。在配有鋼筋的高架車站混凝土梁板構件中,鋼筋和混凝土具有幾乎相同的溫度膨脹系數,但在混凝土收縮時,兩者變形不協(xié)調,從而在鋼筋中產生附加壓力,在混凝土中產生附加拉應力,混凝土抗拉承載力較低,從而導致混凝土表面開裂。

3 車站結構設計

3.1加大端柱的計算長度

通過有限元分析得出了溫升工況下不同墩柱的順橋向彎矩的溫度內力。從圖2中可以看出,距離車站中心越遠的墩柱順橋向彎矩越大。這是因為高架車站結構的溫度發(fā)生變化時,車站整體會發(fā)生順橋向的溫度變形,距離車站中心越遠,端柱的順橋向撓曲也越大,從而順橋向彎矩也越大,因此車站結構端柱受溫度荷載影響最大。當加大端柱的計算長度時,端柱的順橋向撓曲曲率就相應減少,從而順橋向彎矩也變小。對端柱計算長度不同的車站結構進行溫度上升20℃下的有限元計算,得出了不同的端柱順橋向彎矩,如圖3所示,可以看出加大端柱的計算長度能降低溫度應力對墩柱的影響。

圖2 溫升工況下各墩柱的順橋向彎矩

圖3 不同邊柱長度時順橋向彎矩

3.2設伸縮縫改變框架長度

《混規(guī)》規(guī)定露天現(xiàn)澆式鋼筋混凝土框架結構的伸縮縫的最大間距為35 m。在高架車站結構設計時,結合有限元分析結果如圖4所示,在車站中部設置一處伸縮縫,將車站分成63 m長的兩聯(lián)結構,相對于縱向不設縫的結構,車站結構構件受溫度荷載影響大大降低。但是高架車站伸縮縫的設置造成結構配筋困難、影響高架車站的建筑功能要求和防水需要、使車站在高階振型時會有相對震動與相對位移。如果建筑等相關專業(yè)為車站結構布置創(chuàng)造條件,在長度超過120 m的高架車站結構設計中,設置120 mm的伸縮縫可以避免碰撞并降低墩柱溫度應力[2]。

圖4 不同超靜定聯(lián)長時端柱的內力

3.3墩柱尺寸

車站墩柱尺寸的大小不僅僅關系到工程量的大小,也影響到車站整體結構的內力分配是否合理,加大墩柱的截面面積能夠有效提高墩柱本身的承載能力和結構剛度,但同時因為墩柱剛度的增加,從而導致墩柱中溫度次內力的增加。對墩柱截面尺寸不同的結構對比分析得出,通過減小墩柱的縱橋向尺寸可有效降低墩柱溫度應力的作用,而墩柱橫向尺寸對溫度應力影響較小??紤]到墩頂位移控制以及蓋梁的內力不受溫度影響,蓋梁的斷面尺寸決定了墩柱的構造尺寸,即墩柱的尺寸不能過小。

3.4墩柱預偏心設置

通過有限元分析發(fā)現(xiàn),溫度效應中的整體降溫和混凝土的收縮效應疊加的效果對車站兩端部的墩柱設計效應最為顯著,降溫和混凝土收縮的綜合效應都是使墩柱向車站中心彎曲。為了減小該彎矩對車站結構端柱的不利影響,設計中考慮將端柱向車站外側設置預偏心,且預偏心的設置不能過大,因為車站在整體升溫工況作用下,車站墩柱是向外側彎曲的,因此偏心的設置必需要找到一個平衡點,該平衡點的設置原則是使車站基礎順橋向基頂彎矩在兩個方向數值大致相等。通過計算比較,當端柱長度為9.5 m時,墩柱向外側設置5 cm的預偏心較合適。整體降溫下邊墩墩底縱向彎矩見圖5。

圖5 整體降溫下邊墩墩底縱向彎矩

4 車站結構施工

為了降低溫度荷載對高架車站結構的影響,控制溫度裂縫,在高架車站結構施工時,采用設置后澆帶以及控制混凝土質量等措施。

4.1設置后澆帶

多次超靜定的高架車站結構,聯(lián)長太長,混凝土收縮、徐變也會和溫度荷載一起對結構產生影響。沿高架車車站縱向每50 m設置一道后澆帶,待主體結構完成后50 d左右,采用微膨脹混凝土澆筑后澆帶,一部分收縮、徐變就會在結構合龍以前發(fā)生,從而減小收縮對結構的影響,降低混凝土收縮、徐變和溫度荷載的疊加作用。但是后澆帶只能解決混凝土結硬時的收縮應力問題,并不能解決溫度應力問題。

4.2控制混凝土質量

控制混凝土質量方面采取以下措施:

1)通過使用高效減水劑或者選用粉煤灰作為摻合料;

2)選用級配良好骨料,優(yōu)化混凝土的配合比,嚴格控制混凝土拌合物的泌水率、坍落度、粘聚性等性能;

3)使用聚丙烯纖維,增強混凝土抗裂強度[3]。

4.3控制混凝土施工過程

混凝土的施工過程采取以下措施:

1)控制混凝土的出機溫度,夏季時為防止太陽直射,可以在攪拌站的砂、石堆場設置遮陽棚。

2)控制混凝土澆筑溫度,施工現(xiàn)場由專人測量混凝土的出車溫度,在混凝土輸送管上噴灑冷水,或用草袋遮擋陽光[3]。

5 結語

為了降低溫度效應,本文對高架車站結構設計提出幾點建議:

1)適當加大端柱的計算長度;

2)設置120 mm的伸縮縫;

3)減小墩柱的縱橋向尺寸,設計時選擇合理的墩柱截面大小。文中還提出了高架車站施工時的一些建議。

參考文獻:

[1]楊開屏.雙層獨柱式高架車站結構設計[J].都市快軌交通,2009(10):50-51.

[2]趙進.城市軌道交通高架車站變形縫設置的探討[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2014(2):7-9.

[3]羅巧玲.大體積混凝土梁施工中的溫度監(jiān)測與裂縫控制[J].廣東建材,2005(7):28-29.

Study on temperature and crack controlling of elevated station structure of Shenzhen Rail Transit Line 8

Li Bingcheng
(Railway 3rd Survey&Design Institute Group Co.,Ltd,Shenzhen 518052,China)

Abstract:The paper takes the elevated station structure of Shenzhen Rail Transit Line 8 as the example,indicates the reasons for the temperature stress and cracks in the three phases and types,and points out the temperature control crack-resistance measures of the elevated station from the design and construction according to the finite element analysis of the structure under the temperature load,so as to provide some reference for similar problems.

Key words:elevated station,large cantilever pier structure,temperature stress

作者簡介:李冰成(1989-),男,助理工程師

收稿日期:2015-10-22

文章編號:1009-6825(2016)01-0062-03

中圖分類號:U231.4

文獻標識碼:A

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