預應力技術在城市軌道交通高架車站中的應用

黎家國

【摘要】預應力混凝土結構是在結構承受荷載之前，預先對其施加壓力，使其在外荷載作用時的受拉區混凝土產生壓應力，用以抵消或減小外荷載產生的拉應力，使結構在正常使用情況下不產生裂縫或者開裂得比較晚。在建筑工程、橋梁工程以及城市軌道交通高架車站中預應力技術得到了廣泛應用，是解決混凝土構件受力后撓度過大的有效手段。

【關鍵詞】城市軌道交通；高架車站；預應力技術；應用

城市軌道交通高架車站按所在位置和城市道路之間的關系分為路中車站和路側車站。高架車站根據行車軌道和站臺之間的關系分為島式車站和側式車站，站臺在軌道之間的為島式車站，站臺在軌道兩側的為側式車站。島式車站的受力特點是列車荷載作用于橫向蓋梁的端部，蓋梁在非地震作用下受力不利；側式車站的受力特點是列車荷載作用于橫向蓋梁的中部，蓋梁在非地震作用下受力有利。

1、工程概況

某城際軌道交通一期工程S8線（以下簡稱“S8線”），線路全長45.2km，其中地下線12.2km，高架線33km。全線共設17座車站，其中地下站6座，高架站11座。列車采用4B編組，最高速度為120km/h，是我國一次性建成里程最長，運行速度最快的地鐵線路。本工程已于2014年8月1日正式運營，S8線高架車站分為路中高架車站和路側高架車站，本文以某站為例討論路中側式高架車站預應力蓋梁的設計。

2、橫向蓋梁設計

某站橫向柱跨外包尺寸5m，橫向預應力蓋梁全長外包尺寸17.6m，蓋梁凈懸挑長度6.3m，縱向柱距12m共7跨，車站全長軸線距離84m，抗震等級為二級，上部結構混凝土強度等級C40，結構橫剖面如圖1所示。

該站上行扶梯提升高度為6m，站臺板下層橫向蓋梁高度被限制在1.2m，如此截面高度的梁不足以支承站臺層及站臺板下層荷載，因此，考慮設置邊框架柱將站臺層與站臺板下層荷載向下傳至站廳層橫向蓋梁。考慮到站臺板下層橫向蓋梁的截面尺寸相對較小，布置預應力筋較為困難，將站廳層橫向蓋梁設計成預應力構件。

3、橫向蓋梁預應力設計

3.1 預應力筋布置

站廳層橫向蓋梁預應力筋布置方式，可以采用倒拋物線+張拉端水平的方式或兩段斜線+一段直線+張拉端水平的方式。結合現場情況，擬采用無錫地鐵1號線堰橋站的斜線+直線+張拉端水平的布置方式（圖2）。

3.2 預應力設計

3.2.1 裂縫控制設計

蓋梁預應力設計中，裂縫按二級控制，且在標準荷載組合下受拉邊緣應力應符合如下規定：σ ck - σ pc ≤ f tk （1）式（1）中，σ ck 為在荷載標準組合下構件抗裂驗算邊緣的混凝土法向應力；σ pc 為扣除全部預應力損失后在抗裂驗算邊緣混凝土的預壓應力；f tk 為容許值。考慮到梁柱節點區普通鋼筋密集，如果設計成全預應力混凝土構件，則節點區預應力筋孔道更多或者直徑更大，與墩柱鋼筋更加沖突不便施工，混凝土澆注質量難以保證。另外，本站為側式車站，列車荷載集中在墩柱頂，對懸挑預應力蓋梁根部產生的拉壓應力變化不大，即疲勞荷載不明顯。因此，將該蓋梁設計成部分預應力混凝土構件，既減少了預應力筋孔道和墩柱鋼筋的沖突，也可以避免預應力混凝土構件開裂后疲勞加劇的情況出現。再者，該預應力蓋梁容許應力法設計，但容許應力法設計過程繁瑣，計算配筋量偏大略顯保守。圖 2 給出了站廳層某橫向蓋梁在恒載、活載作用

組合下的梁頂應力圖，圖 5 給出了站廳層某橫向蓋梁在恒載、活載、預應力作用組合下的梁頂應力圖。對比圖 4、圖 5 可見，預應力的施加滿足式（1）的要求，這大大減小了橫向蓋梁懸挑根部梁頂處的拉應力，有效減小了站廳層橫向蓋梁的撓度，為站臺板下層邊框架柱提供了可靠的支承，減小了站臺板下層橫向蓋梁的負彎矩，使車站上部結構整體受力更加合理。

3.2.2 抗震構造設計

本工程蓋梁還從以下幾方面進行了設計，以滿足抗震構造要求。

（1）設計中計入縱向受壓鋼筋的混凝土受壓區高度，以符合二級抗震等級框架梁 x≤0.35 h 0 的要求。其中，x 為混凝土受壓區高度，h 0 為截面有效高度。

（2）普通鋼筋抗拉強度設計值換算的全部縱向受拉鋼筋配筋率按

不大于 2.5% 設計，梁端截面配筋按 要求設計。其中，f py 為預應力筋抗拉強度設計值，f y 為普通鋼筋抗拉強度設計值，h p 為預應力筋合力點至截面受壓邊緣的距離， h s 為縱向受拉普通鋼筋合力點至截面受壓邊緣的距離，A s 為受拉區縱向普通鋼筋截面面積，A p 為受拉區縱向預應力筋截面面積。

（3）梁端底部縱向普通鋼筋和頂部縱向受力鋼筋截面面積之比按不小于 0.3 設計。

（4）框架梁端底面縱向普通鋼筋配筋率按不小于0.2% 設計。

4、施工中遇到的問題及處理方法

本站即使將預應力混凝土蓋梁設計成部分預應力混凝土構件，減少了預應力筋的布置，但是由于蓋梁按能力保護原則設計時，普通鋼筋很多，梁柱節點區鋼筋十分密集，預應力孔道無法按設計線型放置。處理的方法：預應力筋孔道在框架柱主筋位置不能穿過時，可適當平移就近穿過，將預應力筋孔道在節點區設平彎段，以保證平彎段平順且偏移量不致過大；遇到柱箍筋可適當截斷箍筋，預應力筋孔道穿過后應補足開口箍，以保證全截面箍筋肢數與設計相同；預應力筋孔道在蓋梁梁端錨固處應保證位置符合原設計。

結語：

預應力技術是解決城市軌道交通高架車站橫向蓋梁撓度過大的有效途徑，且與區間橋梁解決梁體撓度問題方法一致，無需采用新工法，經濟效益優勢明顯。

參考文獻：

[1]楊開屏.高架車站大懸臂預應力蓋梁設計探討[J].鐵道標準設計，2010（12）.

[2]呂志濤，孟少平.現代預應力設計[M].北京：中國建筑工業出版社，1998.