軌道交通U形梁橫向預應力的設計研究

顧民杰,趙曉梅,吳 俁

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,上海 200092)

引言

軌道交通U形梁是在傳統槽形梁基礎上優化后形成的一種軌道梁形式。為改善傳統槽形梁直腹板與底板相交處受較大負彎矩易開裂的問題，U形梁底板與腹板處交角設計較大且光滑過渡收攏[1]。作為下承式橋梁，U形梁軌面下建筑高度低，有利于控制軌面以下的橋下凈空。此外，其結構輕巧，美觀，腹板可兼作為隔音屏，具有降噪作用，且自重較輕，便于預制、運輸。由于上述優點，近年來軌道交通U形梁在上海、南京、青島等城市得到快速的推廣應用[2-7]。近十年來，工程技術人員和學者對U形梁進行了大量的空間計算、試驗研究[8-15]。

槽形梁和U形梁的底板作為軌道梁整體截面的一部分，參與縱向受力。同時，底板作為直接支撐軌道承軌臺的構件，將軌道荷載沿橫向傳遞給兩側的腹板。因此，作為雙向受力構件，底板的安全性和耐久性至關重要。底板結構設計包括預應力和普通鋼筋兩種形式。上海軌道交通6號線采用傳統的斜腹板雙線槽形軌梁形式，雙向預應力設計，其中橫向預應力筋布置在底板寬度范圍內，錨固在底板左右兩側[16]，該形式要求底板橫向伸出腹板外側，使得橫向鋼束錨固端避開腹板縱向鋼束。槽形梁優化為U形梁后，目前國內已建工程均采用橫向普通鋼筋混凝土結構形式。

考慮到預應力結構可控制混凝土不出現裂縫，結構剛度和耐久性比普通鋼筋混凝土結構好，因此，在寧波機場路南延工程中，進行了U形梁橫向預應力的研究應用。設計中，底板橫向允許混凝土出現拉應力但不允許開裂。根據U形梁的腹板和底板平滑過渡、布置緊湊的特點，橫向預應力筋沿“外腹板—底板—內腹板”呈環向布置，張拉槽口設置在上翼緣板頂面，方便施工且不影響梁體外觀。

本文從構造、結構計算、施工等方面，介紹U形梁橫向預應力的設計要點。

1 工程概況

寧波機場路南延工程為機場快速路與寧奉城際鐵路合建的公軌一體化工程，寧奉線軌道交通荷載為B型車6輛編組，列車最高行車速度為120 km/h。

U形梁標準跨徑30，35 m，梁高1.875 m，支座中心距梁端0.5 m。內、外腹板為變厚度，厚度由頂端0.25 m漸變為底部0.3 m；跨中底板厚0.27 m，梁端1.0 m范圍內為底板加厚區，底板加厚至0.4 m。直線段內側、外側上翼緣寬度均為0.7 m，橫斷面見圖1。

30 m跨徑采用全先張法預應力，C55混凝土。35 m跨徑采用先張和后張結合的預應力形式，并設腹板彎起鋼束，C60混凝土。

圖1 U形梁橫斷面(單位：mm)

2 橫向預應力設計

2.1 預應力類型選擇

預應力可采用有黏接后張法或無黏接的后張法。無黏接預應力筋是帶防腐隔離層和外護套的專用預應力筋。特點是管道孔徑小，在結構尺寸比較小的構件中布置較為方便，但無黏接的預應力筋和混凝土不直接接觸，預應力筋和混凝土之間可相對滑移，抗拉性能不能充分發揮，對混凝土裂縫的限制作用不如有黏接的預應力鋼束。

考慮到U形梁橫向預應力筋的槽口開在腹板頂端，如果封錨端混凝土密實度得不到保證，無黏接預應力筋容易銹蝕，嚴重影響耐久性，而有黏接混凝土預應力筋和混凝土之間有灌漿料填充，即使封錨端略有滲漏，對耐久性影響有限。

綜合考慮受力性能和耐久性保障，同時考慮到底板和腹板厚度方向的尺寸不大，橫向預應力采用扁錨后張法有黏接預應力形式，以方便縱、橫兩個方向預應力鋼束和普通鋼筋的布置。

2.2 橫向布置

U形梁為開口薄壁構件，板件厚度一般在250～300 mm，合理布置縱、橫向預應力筋的位置是關鍵。在底板范圍內，橫向預應力筋布置在下層，縱向預應力筋布置在上層。該方式對提高底板的橫向抗彎性能最有利。縱向預應力筋的位置比不設橫向預應力筋的情況向上移約30 mm，對于U形梁整體截面而言，縱向預應力筋位于底板上，離中性軸距離較遠，位置上移30 mm對縱向預應力效應的影響較小。

跨徑35 m的U形梁橫向預應力、縱向預應力鋼束的位置關系如圖2所示。

圖2 橫向預應力筋橫向布置(單位：mm)

當跨徑為30 m時，無腹板縱向預應力，其余與跨徑35 m相同。

2.3 縱向布置

橫向預應力筋的槽口和聲屏障的基礎預埋件均設在U形梁上翼緣頂部，二者錯開布置。一般聲屏障預埋件的間距為2 m，因此橫向鋼束沿梁縱向的間距可按1 m布置，規格為BM15-2，如圖3所示。

圖3 橫向預應力筋縱向布置(單位：mm)

3 計算分析

建立三維有限元模型進行U形梁的應力分析。

3.1 計算荷載

(1)一期恒載，混凝土自重26 kN/m3。

(2)橋面附屬二期恒載：35.5 kN/m。

(3)列車活載：車輛為B型車，每列車編組6輛，車輛定距10.4 m，固定軸距2.2 m，車輛最大軸重140 kN，最小軸重65 kN，如圖4所示。

圖4 列車活載圖式(單位：m)

(4)溫度：整體升降溫30 ℃。溫差效應參考文獻[17]測試研究結論，橫向溫差按外側腹板局部升溫5 ℃計算，豎向溫差按底板升降溫6 ℃計算。

(5)動力系數：根據GB51234—2017—T《城市軌道交通橋梁設計規范》，單線U形梁橋道板的動力系數取0.4。

(6)考慮各類預應力損失后的縱橫向有效預應力取0.60fpk=1 116 MPa。

(7)風荷載按TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》計算。

3.2 計算模型及加載方式

(1)計算模型

計算模型為一跨35 m簡支槽形梁。采用ANSYS軟件計算，建立三維有限元模型，采用SOLID95二次插值單元，鋼束采用LINK8桿單元，鋼束單元節點與混凝土單元對應節點自由度采用綁定連接。承軌臺(軌道基座)按實際情況建模，每隔5 m設置10 cm長斷縫。U形梁截面和整體單元劃分如圖5所示。

圖5 有限元分析單元劃分

有關承軌臺參與受力計算的情況說明：

①縱向計算中，不考慮承軌臺參與受力；

②橫向計算中，在一期恒載和二期恒載作用下，不考慮承軌臺參與受力，僅在列車活載、風荷載和溫度荷載作用下，考慮承軌臺參與結構受力。計算表明，計入承軌臺參與受力時，橫向正應力比不計承軌臺的情況約小0.3 MPa。

(2)列車活載加載方式

根據GB/T 51234—2017《城市軌道交通橋梁設計規范》5.2.7條，列車軸重引起的集中荷載沿線路方向分布于3個鋼軌支點上，見圖6。

圖6 列車軸重荷載沿線路方向的分布

圖6中，Qvi為列車軸重引起的集中荷載，標準值為140 kN(單根軌道下承軌臺上為70 kN)；a為鋼軌支點縱向間距，本工程為625 mm。

車輪在橫橋向的分布寬度按鋼軌實際位置，作用在承軌臺頂面。

3.3 結果和討論

橫向預應力筋采用BM15-2，縱向布置間距1 m。為考察橫向預應力效應，提取底板中心剖面的橫向正應力云圖，見圖7。

圖7 橫向預應力作用下底板中心剖面橫向正應力云圖(單位：kPa)

圖7表明，橫向預應力產生的橫向正應力在底板沿梁縱向的分布基本均勻，由跨中向支點有小幅度的下降，最大壓應力約2.67 MPa，

主力組合下，不計橫向預應力時，跨中底板橫向正應力最大值為4.64 MPa，應力云圖見圖8。

圖8 主力組合下跨中底板橫向正應力云圖(不計橫向預應力，單位：kPa)

計入橫向預應力效應后，在主力組合下，跨中底板橫向正應力最大值為1.97 MPa，應力云圖見圖9。

圖9 主力組合下跨中底板橫向正應力云圖(計入橫向預應力，單位：kPa)

計入橫向預應力效應后，在主力+附加力組合下，跨中底板橫向正應力最大值為2.29 MPa，應力云圖見圖10。

圖10 主力+附加力組合下跨中底板橫向正應力云圖(計入橫向預應力，單位：kPa)

由以上計算結果可知，計入橫向預應力時，在主力組合下，底板最大拉應力1.97 MPa≤[0.7fct]=2.31 MPa。在主力+附加力組合下，底板最大拉應力2.29 MPa≤[0.7fct]=2.31 MPa，滿足規范中允許出現拉應力但不允許開裂的要求。

橫向承載力驗算見表1。

表1 跨中底板橫向承載力驗算

由表1可以看出，設橫向預應力后，底板承載能力滿足規范要求。

支點附近底板加厚區域鋼束線形與跨中相同，在主力+附加力組合下，應力云圖見圖11。

圖11 主力+附加力組合下支點底板橫向正應力云圖(計入橫向預應力，單位：kPa)

由圖11可知：計入橫向預應力時，支點附近底板橫向正應力除因支座和預應力引起的應力集中外，僅腹板內側近底板處很小的區域內拉應力大于2.3 MPa，應力超限區域大小約35 cm×15 cm，深度約1.5 cm，最大值為2.9 MPa，其余區域應力均小于2.3 MPa，橫向預應力對支點附近底板橫向應力改善明顯，僅在與腹板交界面的局部位置應力大于容許值。該區域調整橫向預應力效果不明顯，設計在該位置加強普通鋼筋的布置，控制裂縫寬度。

4 施工

U形梁在預制廠制作完成后，運至現場定位、安裝。當設橫向預應力時，混凝土澆筑完成后，縱向先張束放張，移出臺座后，再張拉橫向預應力。和橫向采用普通鋼筋的梁相比，橫向預應力施工不增加張拉臺座的施工時間，不影響工期。

考慮到橫向預應力鋼束長度不大，為減少張拉工作量，采用單端張拉橫向預應力T筋的方式，相鄰鋼束交錯張拉。

在寧波機場路南延工程中，共設計、施工了10榀橫向設預應力的U形梁。施工過程中綁扎鋼筋、預應力管道等的照片見圖12，施工完成后的U形梁見圖13。

圖12 鋼筋、預應力及聲屏障預埋件施工

圖13 預制施工完成的U形梁

5 結論

針對寧波機場路南延工程，進行了U形梁橫向預應力的設計研究，并經實際工程施工應用。主要結論如下。

(1)計算表明，U形梁橫向采用預應力設計，能滿足允許混凝土出現拉應力但不允許其開裂的受力要求，避免底板橫向出現裂縫，可提高結構剛度和耐久性能。

(2)針對U形梁為開口薄壁結構、腹板和底板平滑過渡的構造特點，橫向預應力筋采用管道尺寸小的扁錨后張法有黏接預應力筋，沿兩側腹板和底板呈環向布置，錨固在腹板頂的翼緣板上，方便施工且不影響梁體外觀。

(3)從實際施工情況來看，與橫向采用普通鋼筋的梁相比，橫向預應力筋施工不增加張拉臺座的施工時間，不影響工期。采用單端張拉方式，相鄰鋼束交錯張拉，可減少張拉工作量。

通過上述研究，建議將橫向預應力應用于單線U形梁和雙線U形梁。雙線U形梁底板橫向跨度大，更能突顯其優勢。