運(yùn)梁車作用下橋-建組合地鐵車站受力分析與監(jiān)測(cè)

景 明

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 100040)

隨著我國(guó)軌道交通建設(shè)的迅速發(fā)展，預(yù)制梁板的運(yùn)輸與架設(shè)已成為一項(xiàng)重要的施工工序。在運(yùn)梁過程中，運(yùn)梁車通過的主體結(jié)構(gòu)承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求將影響整個(gè)施工進(jìn)程。為了對(duì)運(yùn)梁通道的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，在運(yùn)梁前對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果判斷是否需要進(jìn)行加固。文獻(xiàn)[1]對(duì)炮車運(yùn)梁過程進(jìn)行了理論計(jì)算與實(shí)橋試驗(yàn)。文獻(xiàn)[2]做了特種車輛通過橋梁的安全評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果采取了相應(yīng)的加固措施，并通過荷載試驗(yàn)進(jìn)行了檢驗(yàn)。文獻(xiàn)[3-7]對(duì)地鐵車站基坑內(nèi)鋼管柱支撐的軸力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析。本文重點(diǎn)研究橋-建組合結(jié)構(gòu)體系的地鐵車站在運(yùn)梁期間的應(yīng)力和變形，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定加固措施。對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)加固前后的受力性能進(jìn)行分析，判斷加固方案的可行性。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)梁期間對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，并與模擬計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。

1 工程概況

成都地鐵五號(hào)線廖家灣車站為高架三層側(cè)式車站，采用橋-建組合結(jié)構(gòu)體系，軌道結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間采用剛性連接。車站總長(zhǎng)186 m，縱向設(shè)有1道變形縫。車站結(jié)構(gòu)共有2個(gè)分區(qū)，1～8軸為A分區(qū)，9～15軸為B分區(qū)。標(biāo)準(zhǔn)段寬24.4 m，首層層高7.85 m，站廳層高6.45 m，站臺(tái)板下夾層高1.70 m。

圖1為車站結(jié)構(gòu)及運(yùn)梁過程。廖家灣站主體結(jié)構(gòu)采用C40混凝土材料，見圖1(a)。計(jì)算分析時(shí)，材料彈性模量及強(qiáng)度依照TB 10002—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]取值。混凝土框架主體結(jié)構(gòu)采用滿堂支架、現(xiàn)澆混凝土施工。

圖1 車站結(jié)構(gòu)及運(yùn)梁過程

地鐵車站主體第1片梁體簡(jiǎn)支于邊跨橫梁牛腿上，見圖1(b)。地鐵車站兩側(cè)為長(zhǎng)25，30 m的預(yù)制梁，采用運(yùn)梁車運(yùn)送梁體、架橋機(jī)落梁的施工工藝。

預(yù)制梁在地鐵車站所在工區(qū)內(nèi)梁場(chǎng)預(yù)制，運(yùn)梁車安置在車站主體第1片梁體上，稱為初始位置,見圖1(c)。車站主體第1片梁體一側(cè)由橫梁牛腿支撐，另一側(cè)由橋墩提供豎向支撐。待預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)結(jié)束，架橋機(jī)到位，通過龍門吊將預(yù)制梁體吊裝到運(yùn)梁車上固定后，運(yùn)梁車緩慢行駛通過車站，將預(yù)制梁運(yùn)送到車站主體另一側(cè)落梁位置，此過程稱為運(yùn)梁過站,見圖1(d)。在運(yùn)梁過站時(shí)車站主體結(jié)構(gòu)受到運(yùn)梁車及梁體產(chǎn)生的荷載作用。該荷載不同于車站設(shè)計(jì)使用荷載，需要對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)及邊跨橫梁牛腿處的受力進(jìn)行模擬分析。

2 車站加固前主體結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1 運(yùn)梁過站計(jì)算參數(shù)

1)材料

車站主體結(jié)構(gòu)(除樁基外)采用C40混凝土，樁基采用C35水下混凝土。

鋼筋采用HPB300，HRB400，HRB400E，HRB500E普通鋼筋。

2)設(shè)計(jì)荷載與參數(shù)的選用

鋼筋混凝土重度為26 kN/m3，鋼材重度為78.5 kN/m3。軌道梁二期恒載按27 kN/m計(jì)。

列車荷載：本工程采用A型列車，軸重為160 kN，按8輛編組。列車動(dòng)力系數(shù)1+0.8μ=1+0.8×12/(30+L)，μ為沖擊系數(shù)，L為橋梁跨度。單節(jié)列車縱向布置如圖2所示。

圖2 單節(jié)列車縱向布置(單位：m)

運(yùn)梁車荷載：本工程運(yùn)梁車軸重為600 kN，共11軸。運(yùn)梁車荷載分布如圖3所示。其中P為300 kN。

圖3 運(yùn)梁車荷載分布(單位：m)

因A型列車軸重160 kN與運(yùn)梁車軸重600 kN相差很大，為保證施工安全須對(duì)運(yùn)梁過站進(jìn)行分析計(jì)算。

3)荷載工況

運(yùn)梁過站工況是將運(yùn)梁車按移動(dòng)荷載施加到車道。運(yùn)梁過站車道驗(yàn)算采用容許應(yīng)力法[9-10]。荷載組合：1.0×恒載+1.0×活荷。

臨時(shí)加固桿件驗(yàn)算采用極限應(yīng)力法[9-10]。荷載組合：1.2×恒載+1.4×活荷。

2.2 有限元模擬分析

該橋采用MIDAS/Civil建立模型進(jìn)行運(yùn)梁過站分析[11]，計(jì)算移動(dòng)荷載并得出應(yīng)力及變形。

2.2.1 車站主體計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果

廖家灣站結(jié)構(gòu)采用橋-建組合結(jié)構(gòu)體系，全站單墩部分共分346個(gè)單元，145個(gè)節(jié)點(diǎn)，使用的材料為C40混凝土和C40-Q345組合材料，其中蓋梁全部采用了型鋼混凝土截面。在有限元建模時(shí)應(yīng)注意型鋼混凝土截面中H型鋼的定位與幾何尺寸，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。單墩部分計(jì)算模型及車道線位置如圖4所示。

圖4 單墩部分計(jì)算模型及車道線位置

雙墩部分共分1 194個(gè)單元，486個(gè)節(jié)點(diǎn)，使用的材料為C40混凝土和C40-Q345組合材料，其中蓋梁全部采用型鋼混凝土截面。在有限元建模時(shí)相關(guān)參數(shù)應(yīng)與單墩模型保持一致。雙墩部分計(jì)算模型及車道線位置如圖5所示。

圖5 雙墩部分計(jì)算模型及車道線位置

車站主體主要計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 車站主體主要計(jì)算結(jié)果 MPa

C40混凝土最大容許純剪切應(yīng)力為1.35 MPa，混凝土彎曲受壓及偏心受壓容許應(yīng)力為13.5 MPa，有箍筋及斜筋時(shí)主拉應(yīng)力容許值為2.43 MPa。由表1可知：車站在運(yùn)梁過站工況下拉應(yīng)力與剪應(yīng)力值超出容許值，因此車站主體結(jié)構(gòu)需要采取加固措施。

2.2.2 牛腿處計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果

因?yàn)榕Ｍ雀渴芰?fù)雜，本文采用MIDAS/Fea建立了牛腿實(shí)體模型，將牛腿承受的荷載(每個(gè)牛腿受力 4 649.15 kN)施加于牛腿上。橋墩與牛腿接觸面采用剛性固結(jié)，牛腿外側(cè)不進(jìn)行約束，為自由端。進(jìn)行模擬分析后得出其應(yīng)力及變形。牛腿計(jì)算模型如圖6所示，牛腿處主要計(jì)算結(jié)果見表2。

圖6 牛腿計(jì)算模型

方 向應(yīng)力最不利值所在位置數(shù)值x方向(順橋向)拉應(yīng)力牛腿根部上表面10.94x方向(順橋向)壓應(yīng)力牛腿根部下表面-6.99y方向(豎向)拉應(yīng)力懸臂根部4.32y方向(豎向)壓應(yīng)力支座附近-8.15y-z平面剪應(yīng)力支座附近2.65

由表2可知：牛腿處剪應(yīng)力大于1.35 MPa、拉應(yīng)力大于2.43 MPa，不滿足設(shè)計(jì)要求。因此須對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)牛腿處采取加固措施。

3 運(yùn)梁過站加固方案及計(jì)算

3.1 加固方式

通過對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算，車站主體縱梁以及牛腿處剪應(yīng)力、拉應(yīng)力超出容許值。為了降低運(yùn)梁過站所產(chǎn)生的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，雙墩部分軌道層中心縱梁和車道線正下方采用φ200鋼管柱支撐進(jìn)行加固，順橋向按間距1.5 m布置共5排，橫橋向按間距1.5 m布置共5排。雙墩部分鋼管柱支撐加固現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。單墩部分軌道層正下方采用φ630鋼管柱支撐加固，順橋向按間距3 m布置共2排，橫橋向按間距1.5 m布置共3排。單墩部分鋼管柱支撐加固現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。加固牛腿的鋼管柱支撐采用Q235鋼材(直徑630 mm，壁厚10 mm)，并在牛腿處順橋向設(shè)置2排4列精軋螺紋鋼，共8根(每根施加預(yù)應(yīng)力540 kN)。鋼管柱支撐安裝時(shí)預(yù)頂20 kN的力，確保鋼管柱支撐頂部與混凝土面完全接觸。在運(yùn)梁過站結(jié)束后，將臨時(shí)加固的精軋螺紋鋼與鋼管柱支撐及時(shí)拆除。

圖7 雙墩部分鋼管柱支撐加固現(xiàn)場(chǎng)圖8 單墩部分鋼管柱支撐加固現(xiàn)場(chǎng)

3.2 鋼管柱支撐加固模擬計(jì)算

3.2.1 模型的建立

在原模型基礎(chǔ)上添加鋼管柱支撐[12]，鋼管柱支撐與車站主體結(jié)構(gòu)采用剛性連接。分析車站主體結(jié)構(gòu)、牛腿處以及鋼管柱支撐的受力。依據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]計(jì)算鋼管柱支撐的受力和變形。鋼管柱支撐加固模型如圖9所示。

圖9 鋼管柱支撐加固模型

3.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

加固后車站主體結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果見表3，加固后牛腿處主要計(jì)算結(jié)果見表4，在運(yùn)梁過站時(shí)鋼管柱支撐軸力計(jì)算結(jié)果見表5。

表3 加固后車站主體結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果 MPa

表4 加固后牛腿處主要計(jì)算結(jié)果 MPa

表5 運(yùn)梁過站時(shí)鋼管柱支撐軸力計(jì)算結(jié)果 kN

1)應(yīng)力

在進(jìn)行鋼管柱支撐加固前，車站主體縱梁在運(yùn)梁過站時(shí)拉應(yīng)力與剪應(yīng)力均超出容許值。在進(jìn)行鋼管柱支撐加固后，最大剪應(yīng)力減小為1.34 MPa，小于最大容許純剪切應(yīng)力1.35 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。最大拉應(yīng)力減小至2.25 MPa，小于主拉應(yīng)力容許值2.43 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

牛腿處加固前拉應(yīng)力和剪應(yīng)力均超出容許值。在加固后最大剪應(yīng)力為1.32 MPa，小于最大容許純剪切應(yīng)力1.35 MPa，順橋向與豎向處于全截面受壓狀態(tài)且壓應(yīng)力均小于13.5 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

2)變形

車站主體結(jié)構(gòu)雙墩部分跨中撓度容許值為7.5 mm，單墩部分跨中撓度容許值為6.5 mm，在加固前后撓度值均未超限。

由以上分析可見，鋼管柱支撐加固有效地減少了運(yùn)梁過站所產(chǎn)生的主拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和變形。該加固方案經(jīng)過專家評(píng)審實(shí)施后，施工過程中對(duì)鋼管柱支撐進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)[14]，確保運(yùn)梁順利安全進(jìn)行。

圖10 鋼管柱支撐監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置

4 運(yùn)梁過站施工監(jiān)測(cè)方案

4.1 監(jiān)測(cè)方法及內(nèi)容

為了保證運(yùn)梁過站順利進(jìn)行，在運(yùn)梁過站期間對(duì)加固后車站主體結(jié)構(gòu)與鋼管柱支撐進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。廖家灣車站結(jié)構(gòu)共有16軸，雙墩、單墩部分各選擇1跨進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。雙墩部分選擇中跨位置8～9軸、單墩部分選擇中跨位置14～15軸。牛腿處鋼管柱支撐選擇16軸外側(cè)。在車站主體結(jié)構(gòu)跨中縱梁上、下緣埋設(shè)應(yīng)力傳感器。鋼管柱支撐由于鋼管數(shù)量較多，且鋼管柱支撐為雙對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故選取1/4平面內(nèi)截面應(yīng)力、變形較大的桿件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。選取3個(gè)區(qū)域(雙墩部分、單墩部分、牛腿處)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

運(yùn)梁過站監(jiān)測(cè)時(shí)荷載為運(yùn)梁車自重+梁體自重。運(yùn)梁車荷載作用下廖家灣車站監(jiān)測(cè)方案見表6。

表6 監(jiān)測(cè)方案

鋼管柱支撐監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖10所示，車站主體縱梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)剖面布置如圖11所示。

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬計(jì)算值的對(duì)比

圖11 車站主體縱梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)剖面布置

表7為運(yùn)梁過站期間各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算值對(duì)比。可知：在運(yùn)梁車荷載作用下各鋼管柱支撐均受壓，實(shí)測(cè)應(yīng)變值在29×10-6～74×10-6，應(yīng)力值在5.96～15.2 MPa，均小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa。在運(yùn)梁車荷載作用下車站主體縱梁上緣受壓，下緣受拉。上緣實(shí)測(cè)壓應(yīng)變值在76×10-6～128×10-6，應(yīng)力值在2.44～4.12 MPa，均小于混凝土彎曲受壓及偏心受壓容許應(yīng)力值13.5 MPa。下緣實(shí)測(cè)拉應(yīng)變值在40×10-6～50×10-6，應(yīng)力值在1.29～1.61 MPa，均小于混凝土主拉應(yīng)力容許值2.43 MPa。鋼管柱支撐壓應(yīng)力實(shí)測(cè)值與車站主體縱梁加固后下緣拉應(yīng)力實(shí)測(cè)值均小于加固前的模擬計(jì)算值，表明該加固方案效果良好。

表7 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算值對(duì)比 10-6

注：應(yīng)變拉為“+”，壓為“-”。

5 結(jié)論

1)數(shù)值分析結(jié)果表明，運(yùn)梁過站過程中廖家灣車站主體結(jié)構(gòu)軌道層中心縱梁、邊跨橫梁牛腿處的剪應(yīng)力與拉應(yīng)力超出了容許值。在結(jié)構(gòu)受力最不利位置處采用鋼管柱支撐對(duì)車站縱梁、牛腿處加固后能有效地減少拉應(yīng)力與剪應(yīng)力，使其滿足使用要求。

2)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)梁過站過程中對(duì)鋼管柱支撐加固后的車站主體縱梁的應(yīng)力監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：鋼管柱支撐的應(yīng)力實(shí)測(cè)值小于模擬計(jì)算值及鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;車站主體縱梁上緣受壓，下緣受拉，下緣拉應(yīng)力實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算值基本一致。應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了加固方案的合理性與數(shù)值模擬分析的準(zhǔn)確性。