浅覆土超长地铁车站温度应力分析

浅覆土超长地铁车站温度应力分析

彭攀

广州地铁设计研究院有限公司广州510006

摘要：地铁车站大多数都深埋土中，在设计过程中很少考虑地面温度变化对主体结构的影响，但当地铁车站的顶板覆土较浅，且在严寒地区或者寒冷地区时，地表温度变化会引起较浅深度范围内的土体温度变化，对超长地下室结构的影响不可忽略。本文以天津某400m长地下两层车站为例，覆土深度仅为1m，通过对车站主体结构进行三维有限元温度应力分析，根据计算结果提出结构相应的构造措施来减轻温度变化对于车站防水的不利影响。

关键词：浅覆土；地铁车站；超长结构；温度应力

1引言

地铁车站大多数是深埋在地下的纵向长条形多层箱型结构，综合市政管线、人防等各方面的要求，地铁车站埋深都较大，地下车站的顶板覆土深度都大于5m，这类车站由于覆土深，地面温度变化对于深埋土体中的车站主体结构的影响很小，往往可以忽略不计。部分地铁车站由于场地、线路等各方面的原因，顶板覆土较浅，且处于严寒地区或者寒冷地区，地表温度变化会引起深度范围内的土体温度变化相对较大，而且是长期循环存在的，对于地铁车站这种纵向超长结构的影响是不能忽略的，但实际设计过程中，往往只通过设置后浇带或施工缝等考虑了施工阶段的温度变化影响，对这种长期存在的温度变化导致的不利影响没有定量分析。

2工程概况

本项目位于寒冷地区，地下两层结构，站台层采用12m岛式站台，双柱三跨钢筋混凝土结构，总建筑面积约19000㎡，车站纵向长度405.9m，车站宽度22.1m~30.4m。由于本站是本线路的第一条车站，一端连接出入段线和车辆段，经过综合方案必选后，本车站的顶板覆土深度为1.0m。车站主要结构尺寸为：底板800mm厚，顶板600mm厚，中板400mm厚，负一层侧壁500mm厚，负二层侧壁700mm厚，框架柱尺寸700x1000mm，底板设置有直径800mm的抗拔桩，根据勘察报告及结构耐久性要求，与水土接触的结构（顶板、侧壁和底板）采用C45，P10抗渗混凝土。

根据地质勘察报告，该地铁车站建造于软土地基和地下水位较高的水文地质条件下。为提供地下车站一定深度范围内土层的温度，本场地布置了地层温度测试试验。下面就是分别在冬季和夏季两次地层温度测试试验的结果（图3.1、图3.2）。

根据本工程场地地温测试结果，拟建场地在距离地面5m以内受地表温度影响较为明显，5～10m段受地表温度影响较小，变化也较小，10～30m温度较为稳定。根据温度测试的结果，本车站顶板及负一层侧壁在5m范围内，需要考虑温度变化带来的不利影响，底板和负二层侧壁不需要考虑温度荷载。

3温度效应有限元分析

3.1Midas/Gen三维有限元模型

本文通过大型结构有限元软件Midas/Gen对该工程在最不利温度荷载工况作用下的效应进行了三维分析。在分析过程中，对超长混凝土结构做了以下简化：

1）仅考虑顶板梁、板以及负一层侧墙在温度荷载作用下的应力和变形，不考虑温度对结构其他部分的影响；

2）建模过程中，框架梁、柱都采用梁单元，楼板采用板单元，剪力墙采用墙单元；

3）对于季节温差，因为其是一个长期缓慢的作用过程，是与时间有关的，因此必须考虑徐变的影响，按弹性计算的温度应力应诚意徐变应力松弛系数来修正应力计算值，松弛系数取0.3；

4）因为混凝土材料的弹塑性，实际混凝土结构在竖向、水平荷载作用下，应当考虑混凝土塑形及裂缝的影响，梁柱的抗弯刚度应乘以一个折减系数0.85;

5）本工程设计计算时仅考虑使用期间的温差作用，因为车站是埋在地下1m的覆土中，作用温度取覆土深度1m处的8月份测试温度作为最高月平均气温（22.1℃），取覆土深度1m处的12月份测试温度作为最低月平均气温（5.1℃）。在升温时期，混凝土自身膨胀，对构件内力产生影响，但不会产生收缩裂缝，因此在裂缝控制分析时仅考虑在降温条件下的温差。结构施工浇筑时的平均气温无法确定，参考相关文献得到，T0=0.3Ts,min+0.7Ts,max=17℃，ΔT=17-5=12℃。

在有限元模型中，材料选用线弹性体系，结构初设状态设置为0℃，仅分析温度变化对结构产生的影响。其他设计参数取值，混凝土C45，弹性模量33500MPa，泊松比0.2，温度线膨胀系数1.0x10-5/℃。有限元模型如图所示。

从应力云图可以看出，在降温工况下，车站顶板两端和周围有侧壁约束的范围应力较小，车站中间相当长一段范围内应力较大，混凝土的最大拉应力达到5.6MPa，远大于混凝土轴心抗拉强度设计值（当混凝土等级为C45时，抗拉强度设计值为1.80MPa）。由此可见，车站顶板的温度应力对结构的影响较大，处理不好将导致结构在使用阶段出现温度裂缝，影响结构的正常使用。因此，在设计时应该采取有效的应对措施，防止温度应力对结构产生的不利影响。

3.3结构处理措施

对于这种400m的超长结构，要完全消除温度应力的不利影响几乎是不可能的，但只要通过采取适当的设计、施工等方面的措施，来消除温度变化带来的不利影响。本项目已经采取的减小施工和使用过程中的温度应力的措施有以下三个方面：

1）结构主体应每隔40~50m设置一道1m宽后浇带，顶板后浇带内钢筋应全部贯通，采用C50微膨胀防水混凝土浇注，膨胀率大于0.025%；

2）通过合理安排结构的浇筑时间，最大限度减小季节温差产生的温度应力，选择结构最适宜的浇筑时间为冬季。

3）提高顶板纵向分布筋的配筋率；一般情况未考虑温度应力时，车站顶板的配筋率为0.15%，考虑到本项目的重要性和使用年限，降温过程中产生的温度应力全部由顶板的纵向分布筋来承担，顶板纵向钢筋设计时的配筋率为0.416%，实际配筋为D22@150。

4结语.

本文通过对寒冷地区的浅覆土地下两层超长车站在温度作用下的有限元分析得到，虽然是地下结构，但是温度荷载是不可忽视的，实际设计过程中可以通过设置后浇带，合理安排混凝土浇筑时间和提高板纵向分布筋配筋率的方法来处理。

参考文献

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