车辆段超长盖板温度应力分析及处理措施

车辆段超长盖板温度应力分析及处理措施

发表时间：2017-04-17T11:25:48.577Z 来源：《基层建设》2017年2期作者：何亮[导读] 摘要：本文对于工程实例，通过理论计算和有限元分析，得出了车辆段超长盖板在升温和降温下的拉应力分布情况，并提出了解决超长盖板温度应力的有效措施，从而提高了车辆段超长盖板的抗裂性能。

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摘要：本文对于工程实例，通过理论计算和有限元分析，得出了车辆段超长盖板在升温和降温下的拉应力分布情况，并提出了解决超长盖板温度应力的有效措施，从而提高了车辆段超长盖板的抗裂性能。

关键字：车辆段；超长盖板；温度应力；有限元

1 引言

地铁车辆段是地铁线路必备的重要配套设施，主要用于地铁车辆检测、维修、清洁和运营保障。通常情况下，地铁车辆段占地面积大。为了充分利用车辆段用地，在车辆段上加盖一层或两层楼板，形成结构平台，称之为“上盖”。而所谓地铁车辆段上盖综合体，是指在车辆段用地上空加建楼板，并以楼板为基地进行物业开发的综合性建设项目，这是一种合理加密城市空间的建设方式。对于耗费大量土地资源的地铁车辆段来说，通过整合开发对其合理利用已经在各个城市中逐渐形成了一种共识。

由于车辆段功能的要求，车辆段上盖多为超长大盖板结构，为了满足规范[1]的要求，通常采用设置伸缩缝的办法将结构分成若干区域，以减小混凝土收缩和温度应力的影响。但是在车辆段超长大盖板结构中，过多的设置伸缩缝不仅会对建筑功能产生较大影响，而且复杂构造措施也提高了工程的造价。因此目前越来越多的车辆段工程迫切的需要解决车辆段大盖板少分缝或不分缝的问题。

温度变化和混凝土收缩对车辆段盖板的影响可以分为两个阶段。第一个阶段为施工阶段混凝土浇筑后水化热释放及混凝土养护过程中的收缩变形，此阶段裂缝的控制措施有控制水灰比、掺加外加剂、选用低热低碱水泥、加强养护、优化混凝土浇筑方案等，然而这些方法从设计和使用上都存在着一些操作复杂、抗裂防渗效果难以控制等问题；第二个阶段为混凝土结构使用阶段昼夜温差、季节温差引起的温度应力，此阶段的温度应力随着板的跨度增大而逐步累积，如果不适当控制会引起混凝土开裂破坏，严重影响正常使用。

本文提出了一种新型的不分缝凹槽设计以减小板的跨度，同时在盖板中布置了无粘结预应力筋[2]，对板预先施加一定的预压应力。从而有效的来解决车辆段超长盖板的温度应力问题。

2 工程实例

2.1 工程概况

广州萝岗车辆段位于广州市开创大道以南、荔红一路以东、伴河路以北，呈南北走向，总用地红线为30.67公顷，盖上计容总建筑面积为60.35 万平方米，其中住宅建筑面积52.83 万平方米，配套设施建筑面积5.52 万平方米，地铁办公建筑面积2 万平方米。广州萝岗车辆段是广州地铁总公司开发的第一个大型带上盖的车辆段综合体。本文选取车辆段D4区进行温度应力分析，D4区纵向约306 m，横向约95m，平板中间不设缝。

2.2 计算分析

2.2.1 有限元模型建模

本文采用ABAQUS有限元软件进行温度应力分析。由于原结构复杂不规则，将严重影响有限元的建模及运算，并造成运算结果的不收敛。对于此次分析车辆段盖板结构，盖板所受温度应力的大小是分析的重点，与此相对的柱梁仅仅给盖板提供约束作用，因此适当将梁柱进行简化，将极大的提高运算速率。简化中将梁、柱简化为梁单元（线模型），保证结构梁柱简化后约束刚度不变；将板简化为壳单元（面模型），厚度取150mm，忽略内部钢筋对板截面刚度的增加；将墙简化为壳单元（面模型），保持结构墙简化后约束刚度不变。混凝土梁柱、剪力墙及盖板均采用弹性本构关系，混凝土弹性模量根据混凝土结构设计规范[1]取值。为提高计算效率和计算准确性，将有限元网格最小尺寸设为0.5m。荷载工况参照规范设定为结构初始温度20℃，工况1温降至0℃，工况2温升至40℃。约束条件为固端约束柱底部节点和剪力墙底部节点 [3],[4]。

基于以上原则和不同的构造措施，建立三种不同有限元模型。模型一为简化的框架剪力墙平板结构（300m*100m），模型二在模型一的基础上，在平板离两端100m处设置两道凹槽（凹槽尺寸为300mm宽，1000mm深），模型三在模型二的基础上，在平板四周板边缘施加均匀线荷载以模拟预应力作用。模型三中的预应力大小是基于模型二中板的残余温度应力，将预应力对板的作用等效为一对大小相等、方向相反的线荷载[5]。

2.2.2 有限元模型结果

对于以上三种模型进行两种工况（升温20度和降温20度）下的有限元分析，得到平板的应力云图和位移云图（图2示意），但此时有限元模型计算出来的结果是结构温度场下的弹性应力和弹性变形，考虑到混凝土徐变[5,6,7]引起温度应力引起的巨大卸载效应，规范[6]建议采用0.3-0.5的松弛系数（松弛系数是指因混凝土徐变影响而产生的实际应力与弹性应力的比值）。在本工程中折中取0.4的混凝土徐变松弛系数，即将有限元弹性分析结果乘以0.4的松弛系数作为混凝土真实的应力和位移。

2.2.3 有限元结果对比分析

经过对应力和位移云图的统计分析可以得到如下结果：a对于同样的模型，混凝土在板降温产生的最大拉应力幅值明显大于升温时的最大拉应力幅值；b由于框架剪力墙主要布置在x方向，即框架在x方向的约束强于y方向的约束，从而导致同等工况下混凝土x方向上的最大拉应力大于y方向上的最大拉应力；c在板不做任何处理的模型一中，最大拉应力为3.76MPa，其值远大与ftk =1.43 MPa；在模型二（设有凹槽后），最大拉应力降为2.28MPa，依然大于1.43MPa，仍然会引起开裂；在模型三（同时设立凹槽和施加预应力），最大拉应力降低为0.6MPa，低于1.43MPa，满足拉应力设计要求；d对于未施加预应力的模型一和模型二，混凝土在板降温产生的最大位移幅值基本等同于升温时的最大位移幅值，而对于施加预应力的模型三，盖板在降温时x方向的最大位移7.44mm远大于模型板升温时x方向的最大位移2.48mm，这是因为模型三中存在预应力，而引起PE管的弹性模量较大，易受温度影响，应储存在通风良好的棚内，不应该在露天堆放，避免阳光暴晒。出厂一年的管材不能使用，因此先购回来的先使用；PE管属柔性材料，防止硬碰刮伤，施工时最好用软麻绳或橡胶带捆绑；掌握好时间和压力这两个关键参数，严格按照作业参数进行施工；每次焊接前必须对加热板进行清洁，用棉织物或无水酒精将其擦净；施工时一定要保证焊接接头处的清洁，必须用清洁的棉织物擦洗管端头；回填时严格控制PE管周围不得有石块等硬物；对施工操作人员须经过专门培训；当施工场地有较大的风时，施焊管另一端应封堵，避免管道因通风而冷却太快，使焊接质量无法保证。

5.聚乙烯(PE)管热熔焊接常见质量问题及控制措施

结束语：

聚乙烯 (PE)管是国家建设部推广使用的新材料、新工艺，施工时只要仔细落实每一个施工环节，按要求施工，定能达到满意的效果。

参考文献：

[1] GJJ33--2005，城镇燃气输配工程施工及验收规范．

[2] CJJ63-95，聚乙烯燃气管道工程技术规程

[3] 城镇道路工程施工与质量验收规范[S]．中华人民共和国行业标准(CJJ1-- 2008)．北京：中国建筑工业出版社，2008．

[4] 聚乙烯燃气管道工程技术规程[S]．中华人民共和国行业标准 (CJJ63—2008)．北京：中国建筑工业出版社，2008．