韓國(guó)跨坐式單軌交通預(yù)應(yīng)力混凝土軌道梁設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

韓 軍 朱爾玉

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，100044，北京∥第一作者，碩士研究生)

韓國(guó)大邱市軌道交通3號(hào)線采用跨坐式單軌交通，這在韓國(guó)是首次。3號(hào)線全長(zhǎng)23.95 km，共設(shè)有30個(gè)車站，還設(shè)計(jì)有一個(gè)車輛段和一個(gè)存車場(chǎng)。大邱軌道交通3號(hào)線在線路設(shè)計(jì)上分為8個(gè)標(biāo)段，由不同的設(shè)計(jì)單位進(jìn)行軌道梁的標(biāo)準(zhǔn)圖設(shè)計(jì)。

1 跨坐式單軌交通軌道梁截面和跨度

1.1 韓國(guó)大邱的軌道梁截面和跨度

目前，世界上已運(yùn)營(yíng)的和在建的跨坐式單軌交通中，軌道梁普遍采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，常用的標(biāo)準(zhǔn)跨度為20 m、22 m和24 m。在韓國(guó)大邱市跨坐式單軌交通中，PC(預(yù)應(yīng)力混凝土)軌道梁最大跨度達(dá)到了30 m，這在世界上是首創(chuàng)。軌道梁跨度增加到30 m，而截面寬度由于受車輛跨座限制仍保持0.85 m不變。跨度的增大使得恒載作用下跨中彎矩也大大提高，原有的截面高度已不能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，因此，軌道梁高度增加到1.8 m。

預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支軌道梁的設(shè)計(jì)計(jì)算和單軌工程實(shí)踐證明，在軌道梁橫截面高度1.5 m、寬度0.85 m不變的前提下，所采用的簡(jiǎn)支梁最大跨度一般為22 m(中國(guó)重慶軌道交通2號(hào)線一期)和24 m(中國(guó)重慶軌道交通2號(hào)線二期)。圖1為中國(guó)重慶和韓國(guó)大邱的標(biāo)準(zhǔn)軌道梁的跨中截面圖。

圖1 我國(guó)重慶和韓國(guó)大邱的標(biāo)準(zhǔn)軌道梁跨中截面圖

中國(guó)重慶在軌道梁截面保持1.5 m(高)×0.85 m(寬)的前提下，對(duì)25 m跨度的直線軌道梁進(jìn)行了動(dòng)靜力試驗(yàn)，但是為了確保安全性，沒有在實(shí)際運(yùn)營(yíng)線路中采用25 m跨度的軌道梁。

在韓國(guó)大邱市軌道交通3號(hào)線中，PC軌道梁共計(jì)1 284榀，主要標(biāo)準(zhǔn)跨度為30 m和25 m，此外還有非標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)整梁段，其軌道梁最小跨度為12 m。按照跨度對(duì)韓國(guó)大邱軌道交通3號(hào)線的標(biāo)準(zhǔn)軌道梁進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。由表1可見，跨度變化范圍較大。但是，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作和便于軌道梁在預(yù)制場(chǎng)進(jìn)行工廠化生產(chǎn)，軌道梁的標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸統(tǒng)一采用1.8 m(高)×0.85 m(寬)。

表1 大邱市軌道交通3號(hào)線軌道梁按跨度統(tǒng)計(jì)表

1.2 對(duì)韓國(guó)軌道梁截面和跨度的評(píng)價(jià)

韓國(guó)大邱市軌道交通3號(hào)線工程中主要采用30 m和25 m跨度的PC軌道梁，占全線軌道梁總數(shù)的81.8%。采用大跨度軌道梁減少了每公里橋墩的數(shù)量，在一定程度上降低了橋墩林立的感覺，增加了高架橋下的通透感。PC軌道梁跨度變大不僅減少了軌道梁和下部結(jié)構(gòu)的數(shù)量，降低了土建工程的造價(jià)，同時(shí)也相應(yīng)減少了支座、指行板等構(gòu)件的數(shù)量和后期架梁的工作量。

對(duì)于小于25 m跨度的軌道梁來說，根據(jù)日本和我國(guó)重慶的經(jīng)驗(yàn)，采用1.5 m(高)×0.85 m(寬)截面就可以滿足結(jié)構(gòu)計(jì)算要求。而韓國(guó)的25 mm及以下跨度軌道梁截面采用1.8 m(高)×0.85 m(寬)，就顯得浪費(fèi)材料、不經(jīng)濟(jì)。因此，在軌道梁布置時(shí)應(yīng)盡量少用小跨度軌道梁。

2 我國(guó)和韓國(guó)的軌道梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

韓國(guó)大邱的軌道梁設(shè)計(jì)采用C45級(jí)混凝土，中國(guó)重慶軌道梁規(guī)定采用C60級(jí)以上的高性能混凝土。中韓兩國(guó)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)的定義不同。中國(guó)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)按立方體試件(邊長(zhǎng)為150 mm)抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定，用符號(hào)fcu，k表示;而韓國(guó)采用混凝土圓柱體試件(高 h=300 mm，直徑 d=150 mm)來確定混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，記為f'c;歐洲混凝土協(xié)會(huì)、國(guó)際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) CEBFIPMC－90給出了對(duì)C60混凝土的圓柱體抗壓強(qiáng)度f'c和立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k之間的關(guān)系為f'c=0.833fcu，k(1)

按式(1)計(jì)算，韓國(guó)采用的C45級(jí)混凝土相當(dāng)于中國(guó)規(guī)范中的C55級(jí)混凝土。中國(guó)和韓國(guó)的軌道梁，其混凝土強(qiáng)度和彈性模量的設(shè)計(jì)值見表2。

表2 中國(guó)和韓國(guó)的軌道梁混凝土參數(shù)表

3 軌道梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

3.1 韓國(guó)大邱PC軌道梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

3.1.1 預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置

韓國(guó)大邱軌道交通3號(hào)線PC軌道梁采用韓國(guó)規(guī)范的KSD7002 SWPC7B(φ12.7 mm)低松弛鋼絞線，這與中國(guó)規(guī)范中的1×7公稱直徑12.7 mm、截面積為98.7 mm2的鋼絞線相對(duì)應(yīng)。韓國(guó)為了減少預(yù)應(yīng)力孔道對(duì)截面的削弱作用，在30 m標(biāo)準(zhǔn)跨度軌道梁上進(jìn)一步減少了預(yù)應(yīng)力孔道，采用2列4孔布置，如圖2所示。

圖2 韓國(guó)大邱30 m跨度軌道梁的端部預(yù)應(yīng)力布置圖

在預(yù)應(yīng)力鋼筋設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)軌道梁構(gòu)造特點(diǎn)及受力模式的特殊性，梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋宜采用多孔分散布置。中國(guó)重慶軌道交通2號(hào)線一期工程中，為了減小錨頭下混凝土局部壓應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力孔道設(shè)置較多，22 m跨度的軌道梁采用2列6孔布置;在后期的重慶軌道交通2號(hào)線二期工程以及重慶軌道交通3號(hào)線一期和二期工程中，在滿足鋼束張拉時(shí)局部承壓安全性的前提下，最多采用2列5孔布置。

韓國(guó)大邱的軌道梁截面高度增加至1.8 m，空間上滿足多孔分散錨固的條件，預(yù)應(yīng)力鋼筋布置可以采用2列6孔形式。但在設(shè)計(jì)時(shí)，韓國(guó)大邱的軌道梁預(yù)應(yīng)力孔道最多為2列4孔布置，這使單個(gè)預(yù)應(yīng)力孔道中鋼絞線數(shù)量增加，單孔總張拉力增大，錨頭下混凝土局部壓應(yīng)力也增大。因此，其對(duì)錨墊板和端部混凝土的振搗質(zhì)量要求更嚴(yán)格。

3.1.2 預(yù)應(yīng)力張拉程序

韓國(guó)大邱軌道交通3號(hào)線是韓國(guó)第一條單軌交通線，因此在進(jìn)行單軌交通軌道梁設(shè)計(jì)時(shí)，沒有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，仍沿用以前的橋梁設(shè)計(jì)理念。在韓國(guó)大邱的軌道梁設(shè)計(jì)圖紙中，沒有指明張拉批次，只是把鋼束編號(hào)作為張拉序號(hào)進(jìn)行張拉，對(duì)分批張拉時(shí)混凝土需要達(dá)到的強(qiáng)度、彈性模量和張拉齡期都未給出規(guī)定值。而對(duì)預(yù)應(yīng)力的張拉有如下幾點(diǎn)規(guī)定:張拉時(shí)，混凝土的強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85%;設(shè)計(jì)圖中沒有明確采取初張拉和終張拉，而是按照?qǐng)D2中鋼束編號(hào)進(jìn)行依次張拉;張拉時(shí)也采用“雙控”原則，即按張拉應(yīng)力控制和伸長(zhǎng)量校核，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最終伸長(zhǎng)量和設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)量的差值按±5%來控制。

建議韓國(guó)在以后的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)初張拉、終張拉和張拉順序作出明確規(guī)定。例如，在中國(guó)的《重慶跨坐式單軌交通PC軌道梁生產(chǎn)技術(shù)條件(修正版)》中對(duì)初張拉、終張拉和張拉順序作出了明確規(guī)定，如表3所示。

表3 重慶軌道交通3號(hào)線22 m跨度軌道梁預(yù)應(yīng)力張拉程序表

3.2 對(duì)韓國(guó)大邱軌道梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)

韓國(guó)大邱PC軌道梁的截面高度為1.8 m，可以采用增加預(yù)應(yīng)力孔道數(shù)量，來達(dá)到改少應(yīng)力集中的目的。但是，在大邱軌道交通3號(hào)線預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)中卻減少了預(yù)應(yīng)力孔道數(shù)量(最多8孔)，而通過增加每孔中預(yù)應(yīng)力鋼束的數(shù)量來滿足總的預(yù)應(yīng)力值要求。這樣做會(huì)造成梁端錨固區(qū)局部應(yīng)力過大，對(duì)錨具和混凝土澆筑質(zhì)量要求更高;且隨著單孔張拉力的增加，可能會(huì)發(fā)生軌道梁張拉時(shí)壓碎和側(cè)彎現(xiàn)象。此外，在韓國(guó)大邱的軌道梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)時(shí)，沒有明確初張拉和終張拉。按照重慶經(jīng)驗(yàn)，采用初張拉能提高模板臺(tái)車的周轉(zhuǎn)率。因此，建議韓國(guó)在設(shè)計(jì)圖紙中明確初張拉和終張拉的時(shí)間，并對(duì)混凝土強(qiáng)度、彈性模量和鋼束張拉順序等都要作出明確的要求。

4 軌道梁普通鋼筋設(shè)計(jì)

4.1 韓國(guó)大邱PC軌道梁普通鋼筋設(shè)計(jì)

韓國(guó)大邱軌道交通3號(hào)線在線路設(shè)計(jì)時(shí)分為8個(gè)標(biāo)段，由8家不同的設(shè)計(jì)單位進(jìn)行軌道梁設(shè)計(jì)，因此軌道梁設(shè)計(jì)圖紙不統(tǒng)一。其中，普通鋼筋布置的差別也較大;在8個(gè)標(biāo)段的軌道梁縱向鋼筋設(shè)計(jì)中，縱向鋼筋的數(shù)量和直徑?jīng)]有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)韓國(guó)大邱的PC軌道梁標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖中軌道梁縱向鋼筋布置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，縱向主筋數(shù)量有40根、44根和46根三種。縱向鋼筋配置的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。圖3為縱向主筋為40根和44根的截面布置圖。

圖3 韓國(guó)大邱軌道梁的縱向鋼筋布置圖

表4 韓國(guó)大邱每榀軌道梁縱向鋼筋配置統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，在1、3、5標(biāo)段的設(shè)計(jì)中，軌道梁縱向鋼筋的布置在各自標(biāo)段內(nèi)是統(tǒng)一的。按照3標(biāo)段的設(shè)計(jì)，縱向鋼筋最少，總面積僅為8 437 mm2，截面配筋率只是8標(biāo)段的54%，相差太大。由此可見，不同標(biāo)段的縱向主筋配置差別較大。

在其余5個(gè)標(biāo)段中，縱向鋼筋的配置同軌道梁的跨度和線路的平面曲線半徑有關(guān)。如在2標(biāo)段內(nèi)，跨度為30 m、半徑為1 200 m的軌道梁縱向鋼筋配置為44根(38φ22 mm+6φ13 mm);跨度為23 m、半徑為1 200 m的軌道梁縱向鋼筋總面積減少，配置縱向主筋44根(38φ16 mm+6φ13 mm)。

在重慶市的跨坐式單軌線路設(shè)計(jì)中，一條線路一般由一個(gè)設(shè)計(jì)單位進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此同一條線的軌道梁設(shè)計(jì)圖紙比較規(guī)范和統(tǒng)一，普通鋼筋布置也一致;縱向鋼筋布置的數(shù)量和直徑僅在不同線路時(shí)有所區(qū)別(重慶軌道交通2號(hào)線軌道梁的縱向鋼筋有36根，重慶軌道交通3號(hào)線軌道梁的縱向鋼筋有50根，見表5所示)。

表5 重慶市軌道梁縱向鋼筋組成表

表5中的數(shù)據(jù)說明，在經(jīng)過重慶軌道交通2號(hào)線的設(shè)計(jì)和工程檢驗(yàn)后，3號(hào)線的設(shè)計(jì)更加成熟，其縱向鋼筋總面積減少了12%，更加經(jīng)濟(jì)。此外，為了設(shè)計(jì)和施工方便，縱向鋼筋的配置與跨度大小無關(guān)，如3號(hào)線中跨度為24 m和14 m的軌道梁縱向鋼筋的布置間距相同，數(shù)量都為50根。

4.2 對(duì)韓國(guó)大邱軌道梁普通鋼筋設(shè)計(jì)的建議

韓國(guó)大邱軌道交通3號(hào)線軌道梁設(shè)計(jì)時(shí)，由于分為8個(gè)標(biāo)段分別設(shè)計(jì)，普通鋼筋布置沒有統(tǒng)一性，因此建議韓國(guó)再進(jìn)行類似設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)同一條線普通鋼筋進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，對(duì)箍筋布置的間距、縱向鋼筋組成、箍筋和縱筋直徑等進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定。這樣不僅統(tǒng)一了普通鋼筋的設(shè)計(jì)，也方便現(xiàn)場(chǎng)施工。

根據(jù)表1和表4的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以對(duì)大邱軌道交通3號(hào)線軌道梁的縱向鋼筋配置按照跨度進(jìn)行優(yōu)化(見表6)，以減少縱向鋼筋配置的種類。

表6 韓國(guó)大邱軌道交通3號(hào)線軌道梁的縱向鋼筋配置優(yōu)化

5 結(jié)語

大邱軌道交通3號(hào)線是韓國(guó)第一次采用跨坐式單軌的交通系統(tǒng)，其PC軌道梁標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸在寬度保持0.85 m的前提下，高度增加到1.8 m，采用了最大跨徑30 m的簡(jiǎn)支軌道梁。橋梁跨度的加大減少了每公里橋墩數(shù)量，增加了高架橋的景觀效果。

由于韓國(guó)沒有相應(yīng)的跨坐式單軌交通的設(shè)計(jì)規(guī)范，其設(shè)計(jì)參照了日本和中國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范，因此還有很多不完善的地方。根據(jù)中國(guó)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)踐，現(xiàn)對(duì)韓國(guó)跨坐式單軌交通提出如下建議:

1)在橋跨布置時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用30 m和25 m較大跨徑的軌道梁，減少25 m跨度以下軌道梁的數(shù)量;

2)可以考慮增加預(yù)應(yīng)力孔道數(shù)量，以降低單孔張拉力和預(yù)應(yīng)力集中的問題;

3)在設(shè)計(jì)圖紙上需對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束初張拉、終張拉和張拉順序作出明確規(guī)定;

4)在同一條線路上應(yīng)統(tǒng)一預(yù)應(yīng)力和普通鋼筋的配置設(shè)計(jì)，以方便現(xiàn)場(chǎng)施工;

5)由于軌道梁截面和跨度的加大造成了梁體自重加大，故應(yīng)對(duì)軌道梁的架運(yùn)設(shè)備和線形調(diào)整提出更高的要求。

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