高寒地区预应力超长框架结构内力研究与应用

2018-05-14司航

山西建筑 2018年10期

司航

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300000)

1 工程概况

北方某铁路车站改造站房工程中，地下城市通廊为国铁出站的通道兼顾南北市政广场的过境需求，南北两侧设置南北通道连接市政广场。其中城市通廊48 m宽，为两柱三跨框架结构，中间跨为24 m(城市通廊)，两侧为12 m跨度(国铁出站通道)，通廊长195 m，建筑面积为11 738 m2；南北通道宽度18 m的框涵结构，建筑面积为1 573 m2。

地下城市通廊采用框架结构，顶板为轨道板，横向(顺股道方向)3跨(12 m+24 m+12 m)共48 m，纵向跨度21 m～22 m，结构横向框架梁采用钢筋混凝土拱形梁，梁根部高4 000 mm，跨中梁高1 500 mm，拱形矢高2 500 mm，梁宽1 200 mm；纵向框架梁采用预应力钢筋混凝土拱形梁，梁根部高4 000 mm，跨中梁高2 500 mm，拱形矢高1 500 mm，梁宽1 600 mm。柱为2 000 mm×2 000 mm的矩形钢筋混凝土柱，侧墙厚900 mm。梁混凝土等级为C45，柱为C50。预应力筋采用1×7标准型15.20高强低松弛预应力钢绞线(GB/T 5224预应力混凝土用钢绞线)强度标准值fpk=1 860 N/mm2，抗拉强度设计值fpy=1 320 N/mm2，抗压强度设计值fpy=390 N/mm2，弹性模量Ep=1.95×105N/mm2。

温度变化作用：仅在城市通廊的结构顶板轨道层考虑温度变化的作用。结构合龙温度按(10±5)℃考虑，使用阶段温度变化根据哈尔滨市地区实际温度情况考虑，按照升温20 ℃、降温35 ℃。现以北通廊和北通道为例进行分析，见图1。

2 数值模拟分析

MIDAS Civil 2015中，采用如下方法分析预应力和温度荷载：

1)预应力荷载的处理方法为通过施工阶段分析，考虑混凝土的收缩徐变，分析预应力束的等效荷载作用，分钢束一次、钢束二次查看预应力束产生的内力。钢束一次的内力图是用钢束预应力等效荷载的大小和位置计算的内力(与约束和刚度无关)，即主内力图。钢束二次的内力图是因超静定引起的钢束预应力等效荷载的内力(用预应力等效节点和在考虑约束和刚度后计算的内力减去钢束一次内力得到的内力)，即次内力图。

2)通过对模型的顶板(轨道板)和站台板及相应的梁单元施加单元温度荷载模拟实际使用中的温度变化。

2.1 模型概述

采用MIDAS/Civil 2015进行全施工阶段模拟分析，模型节点89 921个，单元94 951个。北半部模型如图2所示。变截面梁如图3所示。

2.2 参数选取

C45混凝土：

弹性模量E=3.450 0e+007 kN/m2，泊松比0.2，线胀系数1.00e-005(1/C)，容重25 kN/m3。

C50混凝土：

弹性模量E=3.550 0e+007 kN/m2，泊松比0.2，线胀系数1.00e-005(1/C)，容重25 kN/m3。

2.3 施工工况

考虑施工阶段及收缩徐变的模型共分五个工况，如表1所示。

表1 施工工况表

2.4 温度作用分析

2.4.1断开轨道板的影响

轨道板内力对比表见表2。

表2 轨道板内力对比表

断开轨道板可以减小结构整体刚度，降温收缩可以充分变形，减缓温度应力的传递，减小降温引起的轴向拉力，对控制裂缝有利。本案例中，轴力可减小400 kN～800 kN(约18%～36%)，弯矩和剪力变化不大。

2.4.2减小边跨柱子刚度的影响

柱内力对比表见表3。

表3 柱内力对比表

在满足正常使用要求的情况下，通过减小边跨柱子的截面，减小柱子的抗弯刚度，使得其受降温收缩的影响大大减小，弯矩减小了62%，剪力减小了57%。

2.5 预应力产生的次内力结果及分析

表4 次内力对结构内力及位移的影响

由表4结果可知，预应力钢束布置合理，主弯矩能较好的抵消外荷载引起的弯矩；预应力引起的次应力的影响较大，不可忽略；次应力的存在对结构产生了不利影响，这主要是因为本例中梁跨度大，为考虑预应力损失等因素的影响，预应力钢束分段布置，导致了预应力对相邻跨的不利影响；变截面弧形梁较好地控制了梁挠度，张拉预应力钢束使梁的位移进一步减小。