设置加强带的地下超长结构温度应力影响分析_刘晓阳.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年2月第30卷 第2期FEB 2023Vol.30 No.2DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.02.008作者简介：刘晓阳（1968-），男，硕士研究生，高级工程师，主要从事地铁建设管理工作。基金项目：广东省普通高校青年创新人才项目（2018KQNCX370）E-mail：0引言随着国家经济的增长和城市化进程的不断推进，大量人口涌入大城市，交通拥堵日益严重，发展公共交通是必然选择。而地铁是大城市公共交通的重要组成部分，因此地铁隧道的建设进程在不断推进。根据 地铁设计规范：GB 5015720131，地铁隧道结构的伸缩缝的形式和间距可按类似工程的经验确定。在地铁隧道超长结构的建设中，不设置伸缩缝可以提高施工效率，加快地铁建设进程，并减少伸缩缝病害2。由于混凝土的抗拉性能较差，若未考虑不设置伸缩缝的地下超长结构在施工阶段或运营阶段的温差和混凝土收缩作用下的影响，温度效应以及收缩对结构产生的拉应力可导致混凝土发生严重开裂。因此，未按 混凝土结构设计规范（2015年版）：GB 500102010 要求设置伸缩缝的地下超长结构需要进行有限元分析其温度效应，并配置相应的温度应力钢筋3。目前，学者对地下结构温度应力的研究多为框架结构，而少有对地下隧道结构温度应力的研究分析。郑静红等人4提出利用楼板凹槽释放温度应力，同时在结构楼板中增加抗裂钢筋来抵消温度应力；张明月等人5对地下车库超长结构进行温度应力计算，配置相应的温度应力钢筋；李媛6针对武汉某地下工程的温度应力分析结果进行温度应力配筋，并建议超长结构分段设置后浇带和使用低水热化水泥拌制混凝土；高骕等人7对沈阳某商业综合体地下超长结构进行温度应力分析，提出设置后浇带和温度抗裂钢筋的方法来减少温度裂缝；张懿韬等人8对某一地下停车场超长结构进行温度应力的有限元模拟分析和实测，结果表明应力最大值出现在中间板和结构刚度改变较大处；刘婷等人9利用SAP2000有限元程序分析了某一商务中心地下广场超长结构温度应力，并根据温度应力结果进行配筋计算；王维等人10对苏州某一地下空间超长结构实际工程进行温度应力分析，并提出相设置加强带的地下超长结构温度应力影响分析刘晓阳1，赵小芹2，李向阳3，薛飞3，侯鹏3（1、深圳地铁建设集团有限公司深圳518026；2、广州城市理工学院广州510800；3、中交第二航务工程局有限公司武汉430040）摘要：未设置伸缩缝的地下超长混凝土结构，需要进行温度应力分析和配筋设计，以避免混凝土在温度应力作用下受拉而出现严重开裂的现象。为探求降低地下超长结构温度应力、减少所需温度应力配筋量的方法，本文提出一种对地下超长隧道结构设置加强带的方式，讨论设置加强带对结构温度应力的影响。结果表明：横加强带的设置使得加强带处的温度应力骤降，但隧道结构的最大拉应力和平均应力分别增大29%和27%；对于设置横加强带的隧道结构模型，对加强带施加的约束越强，隧道结构整体的温度应力响应越大；在隧道横截面中部设纵向加强带，影响表现为隧道结构两端的压应力范围增大；在隧道横截面角部设纵向加强带，影响表现为隧道结构两端处角部路径的最大拉应力降低16%。关键词：地下超长结构；加强带；温度效应；ABAQUS有限元分析中图分类号：TU921文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）02-034-03Temperature Stress Analysis of Ultra-long Underground Structure with Reinforcing StripsTemperature Stress Analysis of Ultra-long Underground Structure with Reinforcing StripsLIU Xiaoyang1，ZHAO Xiaoqin2，LI Xiangyang1，XUE Fei1，HOU Peng1（1、Shenzhen Metro Group Co.，Ltd.Shenzhen 518026，China；2、Guangzhou City University of TechnologyGuangzhou 510800，China；3、CCCC Second Harbor Engineering Company Ltd.Wuhan 430040，China）AbstractAbstract：The underground ultra-long concrete structure without expansion joints needs to be subjected to temperature stress analysis andreinforcement design to avoid serious cracking of concrete under the action of temperature stress.In order to explore the method of reducingthe temperature stress of the underground ultra-long structure and reducing the number of reinforced bars required，proposes a method to setthe reinforcement strips for the underground ultra-long tunnel structure，and discusses the influence of the reinforcement strips on the structural temperature stress.The results show that the temperature stress at the reinforcement strips is suddenly reduced by the setting of the lateralreinforcement strips，but the maximum tensile stress and the average stress of the tunnel structure are increased by 29%and 27%，respectively.For the tunnel structure model with the cross reinforcement strips，the stronger the binding force applied to the reinforcement strips，thegreater the overall temperature stress response of the tunnel structure；A longitudinal reinforcement strips is set up in the middle of the tunnel cross-section，which is manifested as the increase in the compressive stress range at both ends of the tunnel structure；The longitudinalreinforcement strips is provided at the corner of the cross-section of the tunnel，and the effect is manifested by a 16%reduction in the maximum tensile stress of the corner path at both ends of the tunnel structure.Key wordsKey words：underground super-long structure；reinforcing strips；temperature effect；ABAQUS finite element analysis34刘晓阳，等：设置加强带的地下超长结构温度应力影响分析FEB 2023 Vol.30 No.22023年2月 第30卷 第2期应的温度配筋方案和抗裂措施。现有抗裂措施多为配置温度应力钢筋，而在超长结构中，虽然配置温度应力钢筋可以有效避免结构发生严重开裂，但超长结构的截面尺寸大，所需配置的温度应力钢筋用量较多，不利于地下结构的经济性。为探求降低未设置伸缩缝的地下隧道超长结构温度应力、减少其所需温度应力配筋量的方法，本文提出对地下隧道超长结构设置横向或纵向加强带的方式，并运用ABAQUS有限元分析软件分析设置加强带对该结构温度应力的影响。1模型概况地铁隧道结构模型以某地铁隧道实际工程为例，纵向长度为 100 m，横截面为矩形，截面外围尺寸为24 960 mm24 920 mm，厚度为800 mm，配置双层非温度应力钢筋14150，混凝土和钢筋相关参数取值如表1所示。由于该隧道结构模型最大厚度远小于结构截面尺寸，故在温度应力分析时，可忽略应力在截面厚度的分布，运用ABAQUS有限元分析软件中的壳单元建立隧道模型。温度荷载采用工程中考虑季节温差、收缩、徐变折减和刚度折减后所得的最不利降温-9.8。2加强带尺寸及边界条件针对该隧道结构，设置两种加强带，分别为横加强带和纵加强带：在隧道结构端部以及中部均匀设置口字形梁柱框架，即横加强带。横加强带截面外围尺寸为24 960 mm24 920 mm，厚度为1 500 mm，设置宽度为1 500 mm，采用壳单元建模时的等效配筋量为25100 mm；沿着隧道结构横截面角部或中部设置纵梁，即纵加强带。纵加强带截面尺寸为1 500 mm1 500 mm，设置长度为隧道全长，采用壳单元建模时的等效配筋量为配筋25100 mm。无加强带模型、横加强带模型和纵加强带模型示意图如图1所示。为探究加强带在隧道结构中的约束作用大小对隧道应力的影响，对横向加强带模型中的加强带分别进行无约束、弹性约束和固定约束的边界条件设置。其中弹性约束为利用 ABAQUS 有限元软件中的弹簧约束，将加强带两侧的所有节点与地进行弹性连接。另外，所有模型的两端边界条件皆为纵向位移固定约束。各模型具体信息如表2所示。3有限元结果分析设横加强带中轴线路径纵向应力沿隧道分布如图2所示，在中轴线路径上，设横加强带隧道结构的端部受压、中部受拉，总体分布模式与无加强带模型相似。在横加强带处，会出现应力骤降的现象。比较JWSD-1和JWSD-2，JWSD-2的最大拉应力和平均应力分别比 JWSD-1大 29%和 27%。在设置横加强带后，隧道结构非加强部位的应力增大，在加强带处应力减小，与结构力学中一维变截面杆件分析结果相似：在温度荷载作用下，较大截面段温度应力小，而较小截面段温度应力大。增设横向加强带后不利于整体温度应力的释放，仅对加强带处的温度应力有降低的作用。故对于地下超长隧道结构的设计，尽量避免采用横向梁板结构，宜采用纵向的梁板结构。若考虑横加强带嵌入土体，可通过加强带弹性约束模型JWSD-3和加强带固定约束模型JWSD-4进行模拟分析。如图 2 所示，比较 JWSD-2、JWSD-3 和JWSD-4可得，横加强带的约束力越大，隧道结构整体的应力越大。这是由于结构加强带受到约束后，不利于温度应力的释放，造成结构的温度应力增大，与文献 11 对某超长大开洞结构温度应力分析的结论表1混凝土和钢筋相关参数取值Tab.1Values for Concrete and Steel ReinforcementRelated Parameters材料名称C40混凝土HRB400密度/kgm-32 5007 850弹性模量/MPa32 5