磁懸浮軌道交通上部U型梁優化設計

安里鵬 劉 特 周永禮

（1.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙）

（2.中鐵第二勘察設計院集團有限公司，四川 成都）

作為下承結構的u型梁（也叫槽形梁），由于其力學性能方面的原因而沒有得到足夠重視，從而使該梁型在磁懸浮軌道交通領域中的應用很少。然而，由于U形梁在美觀、降噪、建筑高度低等方面優勢明顯，已經在城市軌道交通工程中（如輕軌）的應用越來越廣泛[1]，并已經在國內外取得了大量工程實踐[2,3]。但由于國內引進和使用U 箱梁的時間還較短，故在實際使用中，我們發現：U 型梁為開口截面，相對與小箱梁而言，抗扭剛度和穩定性較差；梁體受壓區混凝土面積較小，受拉區則集中了較多的混凝土；對于大U 型梁，為保證結構安全和穩定性，U箱梁體存在預應力鋼束布置數量過多，預應力指標偏高的問題，對于橫向寬度較大的梁體，一般還需設置橫向預應力鋼束，導致費用和施工復雜性的增加；目前所使用的的U 箱梁梁高較高，為保證橋下凈空，則需要提高橋面的設計標高[4]。

為解決該問題，同時為增強U 型梁在磁懸浮軌道交通中的應用，本文提出了一種新型U 型梁結構，該結構對以往U 箱梁截面進行優化，并以某旅游文旅項目中跨徑3×30m 的連續 U 梁為依托，建立三維有限元模型，對其預應力鋼束布置進行優化，同時對其結構受力行為進行分析。

1 依托工程

某磁浮文旅項目計劃采用中低速磁懸浮交通，該項目中某一跨徑3×30m 的連續梁橋，為小半徑(曲線半徑為100m)連續梁，計劃采用本文所提的優化后U 型梁結構。該U 型梁為開口大U 型梁，中間設中腹板。U 梁總長24.9m，計算跨徑為24.1m，標準段梁高1.8m，頂寬10.2m，底寬8.78m，邊腹板厚度0.4m，中腹板厚度0.6m。

圖1 U 形梁標準段示意圖

2 U 型梁鋼束布置

優化后的U型梁結構按全預應力構件考慮，不允許出現拉應力。鋼絞線采用符合GB5224標準的φs15.2mm低松弛鋼絞線，抗拉強度標準值fpk＝1860MPa，彈性模量Ep＝1.95×105MPa。恒載及二期恒載按實際作用位置加載荷載，磁浮列車活載按影響線加載。依據《中低速磁浮交通設計規范》（CJJ/T 262-2017），加載離心力、列車牽引力、風力、溫度荷載（含整體升降溫和梯度升降溫）等附加力。為分析預應力鋼束優化布置方案，采用主力組合的方式進行結構分析計算。

經理論分析和計算，優化后的U箱梁共計采用31束鋼絞線，鋼絞線指標21.4kg/m3。其中，頂板束7束（9-φs15.2mm），分別在邊腹板各2束，中腹板3束；腹板束9束（12-φs15.2mm），分別在邊腹板和中腹板各3束；底板采用15束12-φs15.2mm低松弛鋼絞線。

3 梁格法建模

U 型梁為開口截面，與箱梁相比，抗扭性能差。為分析U 箱梁的抗扭穩定性，采用梁格法建模，以U 型梁左右線中心線為界限，分別建立左側梁體、中間梁體和右側梁體，左右側梁體與中間梁體之間采用虛擬橫梁進行連接。建立的有限元模型如下圖所示。

圖2 梁格法建立U 箱梁模型

共計建立節點數量：246，單元數量：329（含虛擬橫梁單元），邊界條件數量12 個。

4 有限元計算分析

經有限元計算分析，靜活載作用下，U 型梁體跨中最大豎向位移為3.829mm，撓跨比1/6294.1，小于1/4600。梁端的豎向轉角為0.457‰rad，小于1‰rad。一階豎彎固有頻率n0=5.053＞64/L=2.66Hz，滿足《中低速磁浮交通設計規范》（CJJ/T 262-2017）8.1.8 條規定。

在主力、主力+附加力及主力+特殊荷載組合下，U 梁梁體主要計算結果如下。經計算，U 型梁體在運營階段的強度安全系數為2.47（K≥2.2，括號內為規范容許值，下同），抗裂安全系數為1.68（Kf≥1.2），其跨中上緣最大壓應力為6.9 Mpa（σc≤0.50fc=18.5Mpa），跨中下緣最小壓應力為1.7Mpa（σc≥0），支點上緣最小壓應力為 2.0MPa（σc≥0），支點下緣最大壓應力為 2.7MPa（σc≤0.50fc=18.5Mpa），混凝土最大剪應力1.94 Mpa（τc≤0.17fc=6.29MPa），抗裂荷載下的混凝土主拉應力為-2.62 Mpa（σtP≤fct=-3.3MPa），主壓應力11.9 Mpa（σ cP≤0.6fc=22.2MPa），均可滿足設計規范要求。從優化后U 梁梁體有限元計算分析結果中可以看出，優化后的U 梁結構受力性能可以滿足設計規范要求，同時具有較好的力學性能，可為U 箱梁設計提供一定的借鑒意義。

5 結語

本文所推薦的新型U梁截面形式，結構簡約，預應力鋼束配置也更為優化，減少了梁體寬度和高度，減輕了梁體重量，節約了工程造價。通過有限元數值模擬計算表明，該U型梁結構受力可滿足設計規范要求，具有較好的力學行為和景觀效果，可為U型梁在磁懸浮軌道交通中的應用提供參考。