U形梁在城市軌道交通應(yīng)用中的優(yōu)化及關(guān)鍵技術(shù)

摘 要：文章通過對(duì)以往U梁設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，在青島藍(lán)色硅谷城際軌道交通工程中采用優(yōu)化后的U梁構(gòu)造，并采用Midas/civil建立空間三維實(shí)體單元模型進(jìn)行分析，對(duì)鋼束位置及根數(shù)進(jìn)行合理化布置。發(fā)現(xiàn)施工過程中U梁梁端出現(xiàn)裂縫問題，及時(shí)優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)、施工等措施，確保解決問題。文章給出U梁存放、運(yùn)輸、架設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)，確保了橋梁結(jié)構(gòu)安全，對(duì)類似工程U梁設(shè)計(jì)具有一定的參考借鑒意義。

關(guān)鍵詞：U形梁；實(shí)體單元；裂縫；優(yōu)化；關(guān)鍵技術(shù)

由于U形梁在美觀、降噪、建筑高度低等方面優(yōu)勢(shì)明顯，在城市軌道交通工程中的應(yīng)用越來越廣泛[1]，上海、南京、重慶、鄭州地鐵中均采用過U梁，但上海地鐵為法國(guó)人設(shè)計(jì)[2]，南京地鐵U開始由國(guó)內(nèi)工程師設(shè)計(jì)，可以說U梁發(fā)展較短，U梁在以往設(shè)計(jì)使用中或多或少存在以下幾個(gè)問題：

（1）U梁為薄壁結(jié)構(gòu)，底板、腹板的厚度過薄導(dǎo)致整體剛度較小、輪軌噪音屏蔽效果差，梁端排水無法處理。

（2）U梁為空間薄壁結(jié)構(gòu)，鋼束的布置、張拉順序都會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力，如何確定鋼束位置及張拉順序是確保結(jié)構(gòu)安全的重要因素。

（3）后張法U梁，在張拉端鋼束附近應(yīng)力較集中，往往會(huì)出現(xiàn)微裂縫，采取及時(shí)有效的解決措施是確保梁場(chǎng)預(yù)制U梁成功的關(guān)鍵。

（4）U梁為開口薄壁結(jié)構(gòu)，受扭薄弱，U梁的存儲(chǔ)、運(yùn)輸、吊裝技術(shù)也是影響工程質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 工程概況

藍(lán)色硅谷軌道交通工程起點(diǎn)為苗嶺路和深圳路交口處，沿苗嶺路、濱海大道，領(lǐng)海路、皋虞河向北，終點(diǎn)為即墨市大橋鹽場(chǎng)，全長(zhǎng)58.35km，其中高架段長(zhǎng)約47km，占線路總長(zhǎng)的80%，線路預(yù)留經(jīng)田橫鎮(zhèn)延伸至海陽市的條件。全線設(shè)置車站22座，高架站18座，地下站4座，平均站間距2652m，與線網(wǎng)中的M2、M4、R6、R7形成換乘。全線設(shè)置兩個(gè)梁場(chǎng)，共生產(chǎn)3000多片U形梁。

2 U梁構(gòu)造優(yōu)化

從上圖可以看出上海地鐵U梁采用等截面形式，腹板、底板厚度25cm，此U梁設(shè)計(jì)存在以下幾個(gè)問題：

（1）整體剛度較小，梁端轉(zhuǎn)角較大。為了解決梁端轉(zhuǎn)角較大引起軌道上拔力過大問題，需要在橋敦頂部設(shè)置墊梁，增加了工程的難度。

（2）梁端防排水不好處理，易漏水。

（3）全線采用一種梁寬，腹板對(duì)輪軌噪音的屏蔽作用有所減弱，降噪效果不好。

為了解決上述關(guān)鍵技術(shù)問題，本工程對(duì)U梁構(gòu)造進(jìn)行了如下優(yōu)化：

高架橋采用整孔預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支U梁，標(biāo)準(zhǔn)跨度分25m、30m兩種，梁型分5.0m線間距直線段、5.0m線間距曲線段和5.1m線間距曲線段三種。U梁外觀整體呈“U”字型，為開口薄壁結(jié)構(gòu)，腹板為弧形設(shè)計(jì)，支座中心距梁端0.6m，梁端1.2m為U梁底板加厚區(qū)，梁高由1.8m增至1.94m，漸變段長(zhǎng)0.42m。內(nèi)外腹板厚分別為0.26m、0.265m，底板厚0.26m，梁端底板加厚至0.4m。

5.0m線間距直線段U梁上寬5.32，下寬3.98m（梁端底板加厚區(qū)底寬4.58m），外腹板頂寬1.0m，內(nèi)腹板頂寬0.72m，線路中心線偏向內(nèi)腹板側(cè)，與底板中心線偏心0.065m。

5.0m線間距曲線段U梁上寬5.42，下寬4.08m（梁端底板加厚區(qū)底寬4.68m），外腹板頂寬1.0m，內(nèi)腹板頂寬0.57m，線路中心線偏向內(nèi)腹板側(cè)，與底板中心線偏心0.065m。

5.1m線間距曲線段U梁上寬5.52，下寬4.18m（梁端底板加厚區(qū)底寬4.78m），外腹板頂寬1.0m，內(nèi)腹板頂寬0.57m，線路中心線偏向內(nèi)腹板側(cè)，與底板中心線偏心0.115m。

優(yōu)化后5.0m線間距直線段U梁截面圖如圖3、圖4：

本工程板厚增加1cm，在梁端設(shè)置端橫梁，增加整體剛度滿足兩端轉(zhuǎn)角問題，取消梁端開口，可有效解決梁端排水問題，并利用梁縫構(gòu)造處理。按曲線半徑不同，采用3種梁寬，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)輪軌噪音的屏蔽作用。

3 U梁關(guān)鍵技術(shù)

3.1 U梁鋼束布置

利用Midas軟件建立U梁三維實(shí)體單元模型[3]，按二期恒載實(shí)際作用位置加載荷載，并利用影響線確定活載加載位置，初期考慮預(yù)應(yīng)力加載位置模擬預(yù)應(yīng)力作用，初次預(yù)應(yīng)力布置按U梁截面幾何中心往外等間距布置，提取在自重+二期恒載+預(yù)應(yīng)力作用下跨中截面應(yīng)力進(jìn)行分析[4]。

圖6 跨中截面縱向應(yīng)力云圖（單位：MPa）

從上圖可以看出，在自重+二期恒載+預(yù)應(yīng)力作用下，跨中截面縱向應(yīng)力分布基本均勻，腹板頂應(yīng)力雖有差別但不大，底板左右應(yīng)力基本一致，說明鋼束布置合理，鋼束布置圖如圖7、圖8。

NI、N1'、N2、N3均采用9-φs15.2mm低松弛鋼絞線，N4、N5采用10-φs15.2mm低松弛鋼絞線。

3.2 U梁鋼束優(yōu)化

青島藍(lán)色硅谷線共設(shè)置兩個(gè)兩場(chǎng)，梁場(chǎng)在張拉預(yù)應(yīng)力后腹板，內(nèi)側(cè)腹板梁端出現(xiàn)斜45°裂紋，如圖9所示。

針對(duì)以上出現(xiàn)問題，對(duì)鋼束位置及鋼束數(shù)量進(jìn)行了重新分配調(diào)整，具體措施如下：

（1）鋼束位置的調(diào)整

簡(jiǎn)支U梁N1'鋼束錨固端由距腹板外緣200mm調(diào)整為270mm，增加了局部應(yīng)力擴(kuò)散空間，降低混凝土崩裂風(fēng)險(xiǎn)（如圖10所示）。

（2）鋼束根數(shù)和張拉力的調(diào)整

腹板鋼束N1、N1'由9φs15.2調(diào)整為7φs15.2，同時(shí)底板N2、N3鋼束由9φs15.2調(diào)整為10φs15.2，鋼束總束數(shù)不變。

鋼束初張拉應(yīng)力由700Mpa調(diào)整為600Mpa，初張拉鋼束由原來N5、N3、N1、N1'（共6束）調(diào)整為N5、N3、N2、N1、N1'（共8束）。

3.3 U梁局部鋼筋優(yōu)化

正對(duì)以上出現(xiàn)問題，對(duì)鋼筋也相應(yīng)做了調(diào)整和優(yōu)化，使局部受力更加合理、安全，具體措施如下：

（1）N1、N1'鋼束錨下螺旋筋加大，采用φ14鋼筋，同時(shí)要求錨下螺旋鋼筋與錨墊板焊接，確保錨下螺旋鋼筋定位準(zhǔn)確。

（2）U梁內(nèi)側(cè)腹板端部位增設(shè)N2b縱向加強(qiáng)鋼筋，鋼筋長(zhǎng)度1.5m（見下圖），同時(shí)梁端面必須設(shè)置護(hù)面鋼筋。

通過以上調(diào)整，及提高混凝土拌合質(zhì)量、加強(qiáng)后期養(yǎng)護(hù)等措施，后期U梁未出現(xiàn)梁端裂紋，為以后此類工程積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。

3.4 U梁存放、運(yùn)輸、架設(shè)關(guān)鍵技術(shù)[5]

（1）U梁運(yùn)輸支點(diǎn)位置應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。支點(diǎn)應(yīng)位于同一平面上，U梁同一端支點(diǎn)相對(duì)高差不得大于2mm，支座中任意一點(diǎn)與另外三點(diǎn)組成的平面相對(duì)高差不得大于2mm。

（2）U梁存放必須采用單層存梁，支點(diǎn)位置及支點(diǎn)的懸出距離應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。長(zhǎng)期存梁時(shí)應(yīng)采取措施，防止梁體產(chǎn)生過大上拱。

（3）在存梁、吊梁、運(yùn)梁過程中，應(yīng)保證各吊點(diǎn)或支點(diǎn)受力均勻，建議施工單位采用反力傳感器等技術(shù)手段實(shí)測(cè)吊裝期間反力，在各種工況下，首先應(yīng)按設(shè)計(jì)位置準(zhǔn)確落在兩端作為臨時(shí)支點(diǎn)的千斤頂上，同時(shí)應(yīng)保證每支點(diǎn)反力與理論計(jì)算反力相差不超過±5%。

（4）梁起頂、吊運(yùn)、存放時(shí)的最大懸臂長(zhǎng)度為0.9m。施工中應(yīng)采取嚴(yán)格措施保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（5）U梁架設(shè)時(shí)，采用支點(diǎn)反力控制，每支點(diǎn)反力與理論計(jì)算反力相差不超過±5%。當(dāng)支座砂漿強(qiáng)度達(dá)到20MPa、千斤頂撤出后方可通過運(yùn)架設(shè)備。

4 結(jié)束語

U梁為空間薄壁結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，即便建立三維實(shí)體單元模型，也未必反映出其實(shí)際受力特點(diǎn)，但通過此次設(shè)計(jì)、研究及優(yōu)化，已基本熟悉U梁設(shè)計(jì)及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，有助于推動(dòng)U梁在城市軌道交通領(lǐng)域中的應(yīng)用，而且U梁具有“美觀、降噪效果好、建筑高度低”等優(yōu)點(diǎn)，未來前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]梁匯偉.槽形梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)及在城市軌道交通中的應(yīng)用[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2011（2）：71-73.

[2]劉紅緒，趙會(huì)平，等.城際軌道交通U梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究青島藍(lán)色硅谷城際軌道交通U梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)QC小組[R].中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院，2013，12.

[3]歐陽輝來.槽形梁三維實(shí)體有限元分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009 （1）：45-47.

[4]劉紅緒.青島藍(lán)色硅谷城際軌道交通U形梁設(shè)計(jì)[J].鐵道建筑，2016（2）：23-26.

[5]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)[2008]189號(hào) 鐵路大型臨時(shí)工程和過渡工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].北京：中華人民共和國(guó)鐵道部，2008.

作者簡(jiǎn)介：魏亮道（1985-），男，工程師，2011年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)，工學(xué)碩士。