軌道交通新型連續U梁設計研究

黃振興

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

軌道交通新型連續U梁設計研究

黃振興

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

針對常規大跨軌道交通連續結構與簡支U梁連接段的不匹配問題，提出了一種集連續箱梁橋與U型梁于一體的新型連續U梁結構。該結構具有較大的跨越能力，且實現了與常規U梁的平順連接，提升了軌道交通高架線路的景觀效果。通過建立ANSYS三維實體有限元模型，對新型連續U梁截面的正應力與剪應力分布規律進行分析和討論，并采用Midas梁單元模型對某新型連續U梁的縱向預應力鋼束布置進行了研究。研究表明：新型連續U梁截面正應力分布滿足平截面假定，可采用梁理論對其力學行為進行分析，且該類型梁具有較好的力學特性和景觀效果，可廣泛應用于軌道交通高架線路中。

軌道交通；連續U梁；結構設計；分布規律

0 引言

簡支U梁作為軌道交通的常用結構，廣泛應用于軌道交通高架結構。近十年來，印度新德里、法國里爾和巴黎、迪拜、智利圣地亞哥、荷蘭鹿特丹等多個城市建立了以U型梁為標準結構的軌道交通高架線[1]。近年來，我國上海、北京、廣州、臺北等城市也進行了大量工程實踐[2,3]。

但簡支U型梁的跨徑較小，在跨越道路、河流的實際軌道交通工程中，一般采用具有較大跨越能力的連續箱梁結構。但箱梁結構形式與簡支U梁在外型上存在較大差別，致使結構過渡效果較差。以上海軌道交通16號線為例，其大跨連續箱梁結構與簡支U梁的連接見圖1。由圖1可知，盡管對大跨連續梁進行了造型處理使欄板外形與U型梁基本一致，但在過渡墩頂仍采用端橫梁支撐簡支U梁，景觀效果很不協調。

目前，簡支U型梁在我國軌道交通中大量應用。另外，軌道交通高架線路中也存在相當數量的大跨結構。以上海軌道交通17號線和10號線二期工程為例，主跨為50～70m的大跨結構超過40余座，且均采用預應力混凝土連續箱梁結構。若能解決大跨軌道交通結構與簡支U型梁間的過渡問題，對U型梁的普適性和通用性是一個極大的提高。為解決該問題，本文提出了一種集大跨連續箱梁橋與U型梁截面于一體的新型連續U梁結構（見圖2），該新型結構很好地解決簡支U型梁與大跨結構的過渡問題，提升了結構自身的景觀效果。

圖1 上海軌道交通16號線大跨度結構與U型梁過渡方案

圖2 新型連續U梁與U梁過渡方案

但該新型大跨連續U型梁的截面形式是箱梁和U梁的結合體，其結構力學行為和預應力布置構造上與常規箱梁結構存在差別[4-6]。為此，本文以某跨徑為33m+55m+33m的連續U梁為工程背景，建立三維有限元模型，對其正應力和剪應力分布規律進行了分析和討論。在此基礎上，對其預應力鋼束布置方案進行了研究。

1 連續U梁力學行為分析

1.1 連續U梁構造簡介

該背景橋梁的橋跨布置見圖3，邊跨梁段分塊的三維示意見圖4。連續U梁寬度為11.12m；中支點截面梁高4.5m，跨中截面梁高1.95m寬，中間截面梁高按1.8次拋物線變化；全橋腹板厚度為常數，其中：中腹板厚度0.8m，箱室腹板厚度0.6m，U梁腹板厚度0.4m。

圖3 1/2主梁三維示意圖

圖4 邊跨節段三維示意圖

1.2 三維實體有限元模型

由圖3和圖4所示，該新型連續U梁結構的截面是常規箱梁截面與U型截面的組合結構，其力學特性較為復雜。為掌握其截面應力分布規律，基于大型通用有限元軟件ANSYY14.0，采用2468個SOLID95單元，建立了該新型連續U梁結構的三維實體模型，見圖5。為便于研究改型結構的力學本質，建模過程中對結構進行了合理的簡化，如將曲線外型的邊腹板簡化成直腹板。另外，由于軌道交通結構的豎向剛度和強度要求，使得結構的高度方向為主要受力方向，因而以下分析主要討論了梁高方向的應力分布特性。

圖5 ANSYS有限元模型

1.3 正應力分布規律分析

平截面假定是梁結構理論的基本假設之一，其定義為：垂直于桿件軸線的各平截面在桿件受拉伸、壓縮或純彎曲而變形后仍然為平面，且同變形后的桿軸線垂直[7]。根據這一假設，梁截面的正應力在高度方向按線性規律分布。通過分析連續U梁截面的正應力分布規律來研究傳統平截面假定對于該新型梁的有效性。

圖6 給出了自重作用下，中墩墩頂附近截面正應力云圖。由該圖可知：正應力在高度方向上呈線性分布，正應力最大值出現在中腹板頂面，約為5MPa；最小值出現在梁底，約為-4MPa。為更為清楚地說明新型連續U梁斷面的力學特性，選擇中間腹板和邊腹板的中面L1和L2位置（見圖6）的應力進行研究，結果分別見圖7和圖8。

圖6 自重作用下中墩墩頂附近截面正應力云圖(單位：MPa)

圖7 路徑L1正應力圖(單位：MPa)

圖8 路徑L2正應力圖(單位：MPa)

圖7 和圖8表明，中腹板（路徑L1）和邊腹板（路徑L2）正應力沿高度方向基本上呈線性分布，即連續U梁截面滿足平截面假定，可采用傳統梁理論對該型結構進行整體分析。

1.4 剪應力分布規律分析

截面剪力分布也是也是評價梁結構力學特性的基本參數。通常普通箱梁在支座附近通過增厚腹板來滿足結構的剪力要求，而連續U梁則是通過設置強勁的箱室邊腹板和中腹板來承受剪力，因此其剪應力分布情況也值得關注。圖9示出了自重作用下，中墩墩頂附近截面剪應力云圖。結果顯示剪應力大小在-1～0.5MPa之間，且符合梁截面剪應力分布規律[8]。

圖9 自重作用下，中墩墩頂附近截面剪應力云圖(單位：MPa)

通過對截面指定區域的剪應力進行數值積分，可以得到該區域剪力對于結構剪力的貢獻率，進而可研究該類結構截面剪力的分布規律。如圖9所示，在墩頂截面上共劃分5個區域，分別為U梁邊腹板FQ1和FQ5、箱室邊腹板FQ2和FQ4以及中腹板FQ3。計算結果表明，在中墩墩頂截面中，U梁邊腹板剪力為 381.4kN，約占截面剪力的8.94%；箱室邊腹板剪力為1600.5kN，約為截面剪力的37.54%；中腹板剪力為1486.4kN，占截面剪力的34.86%。由此可知，截面剪力主要由箱室邊腹板和中腹板承受，所承受的剪力為截面剪力的91.06%，從而表明連續U梁的箱室邊腹板和中腹板為主要抗剪構件，這與常規箱形截面的剪力分布特性一致。

2 連續U梁預應力鋼束布置方案研究

基于上述力學特性分析可知，連續U梁可采用梁理論對其進行整體分析。因而可用Midas中的梁單元來建立連續U梁三維有限元模型（見圖10）對其進行整體結構分析。建模過程中考慮了懸臂拼裝的施工過程，在施工全過程分析基礎上，對其預應力鋼束布置進行研究。針對該類結構的力學特性，提出了如圖11所示的預應力鋼束的合理布置方案。由于中腹板較為厚實而邊腹板較為纖薄的截面特征，連續U梁的預應力鋼束布置以中腹板為主，邊腹板為輔。同時，由于跨中和邊墩墩頂處箱室頂底板合二為一的特點，底板合攏束與箱室頂板束應得以合理布置。

圖10 MIDAS梁單元模型圖

對于上述預應力鋼束布置，需要進一步進行截面驗算，以確保該設計符合規范要求。驗算工況見表1，驗算結果表明，該新型連續U梁滿足現行規范的所有要求，即該結構是安全可靠的，其預應力鋼束的布置是合理的。限于篇幅僅示出部分驗算結果。主力+附加力組合下，見圖12，梁體上緣應力均為壓應力，最大壓應力為19.3MPa。如圖13給出該組合下梁體主拉應力圖，其最大拉應力為1.4MPa。圖14給出了列車靜載作用下的撓度曲線，最大撓度為15mm。

圖12 主力+附加力組合下，U型梁體上緣應力圖（單位：MPa）

圖13 主力+附加力組合下，U型梁體主拉應力圖（單位：MPa）

圖14 列車靜載下U型梁最大撓度（單位：mm）

3 結論

通過對某連續U梁進行三維有限元計算和分析，研究了新型連續U梁的應力分布規律，據此對其預應力鋼束布置方案進行了研究，得到以下結論：

（1）連續U梁截面的正應力呈線性分布，滿足梁結構的平截面假定，可采用基本梁理論對該類型梁結構的整體力學行為進行分析；

（2）連續U梁截面的剪應力主要由箱室邊腹板和中腹板承擔，外側U型梁的兩個邊腹板的剪應力很小，其規律基本與常規箱形梁橋一致；

（3）以中腹板為主、邊腹板為輔的原則進行新型連續U梁預應力鋼束的布置符合該類結構的構造特點，且能實現預應力鋼束的合理布置；

（4）該新型大跨連續U梁具有較好的力學行為和景觀效果，可廣泛應用于軌道交通高架線路中。

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U443.3

：A

：1009-7716（2017）02-0106-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.032

2016-11-15

黃振興（1987-），男，江蘇無錫人，工程師，從事大跨度橋梁設計及結構力學行為研究工作。