軌道交通高架車站預應力懸臂蓋梁設計分析

姜利華

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200040）

1 工程概況

寧波地鐵1 號線二期工程沿泰山路自西向東沿南側綜合管廊帶敷設，如圖1 所示。松花江路站為三層高架車站，車站總長度為121.4m，采用單跨雙柱雙懸臂蓋梁的框架結構形式，車站橫向柱距為8.0m，兩側分別設置7.0m 懸臂蓋梁，車站縱向柱距為12m，共12跨。車站分設站廳層、站臺板下層和站臺。

圖1 松花江路站總平面圖

2 設置預應力懸臂蓋梁的原因

松花江路為側式車站采用“橋建部分分離”的結構受力體系，站廳層及站臺板下層框架蓋梁的最大懸挑長度均為7.0m。車站雙柱均布置在路側綠化帶內，其中車站右側懸臂蓋梁下方設置7m 寬單向城市道路，車站站廳層懸臂蓋梁截面高度受右側梁底道路通行凈空、站廳層凈空和綜合管線布置的限制，站廳層及站臺板下層懸臂蓋梁的最大允許梁高分別為1700mm 和1600mm（見圖2）。《地鐵設計規范》（GB 50157—2013）規定懸挑梁端的計算撓度限值為=/600，（為懸臂構件的計算長度），按此公式計算懸臂蓋梁的撓度限值為= 23.33mm。通過采用PKPM 建模分析得出該車站站廳層懸臂蓋梁的最大計算撓度為= 31.26mm，超出《混凝土結構設計規范（2015年版）》（GB 50010—2010）規定的最大 撓度= 23.33mm 的規范要求，懸臂蓋梁的配筋率=2.69%，超出最大配筋率= 2.5%的規范要求。

圖2 車站橫剖面圖（尺寸單位：mm、標高單位：m）

該車站懸臂蓋梁在截面高度受到限制的條件下，如何采取有效措施解決結構設計計算中的撓度、裂縫及超筋等問題，是懸臂蓋梁結構設計的關鍵。經比選分析，考慮采用后張法預應力混凝土結構，通過設置預應力鋼筋，提高受力主筋的抗拉強度，有效降低梁的配筋率。懸臂蓋梁設置預應力筋后，預應力筋張拉時的預壓反拱抵消部分懸臂蓋梁的徐變撓度，從而解決車站橫向懸臂蓋梁撓度、裂縫及超筋等系列結構問題。

3 預應力計算及分析

3.1 設計規范的選用

軌道交通高架車站兼具橋梁規范與建筑抗震規范的共同受力特點，“橋建分離”“橋建部分分離”“橋建合一”是當前軌道交通高架車站常見的三種結構受力體系，軌道交通高架車站需同時滿足橋梁和民用建筑相關規范設計的要求。軌道交通高架車站中承擔列車荷載的軌道梁、框架橫梁、支承框架橫梁的柱、基礎等結構主要受力構件，既要滿足建筑結構設計規范，還須滿足《地鐵設計規范》（GB 50157—2013）、《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》（TB 10092—2017）的相關要求。其余不直接承載列車荷載的構件按現行建筑結構設計規范進行結構設計。因此，支承軌道梁的蓋梁類構件應選擇鐵路橋梁規范進行設計，但是對于支承軌道梁的蓋梁類構件，按建筑規范設計的構件強度遠大于選擇鐵路橋梁規范計算所得的構件強度。基于此，采用建筑規范對承受軌道梁荷載的站臺板下層懸臂蓋梁及站廳層的懸臂蓋梁進行預應力設計。

該工程采用PKPM 軟件對車站進行三維建模分析，如圖3 所示。

圖3 PKPM 三維整體模型

3.2 荷載計算

3.2.1 列車荷載

寧波地鐵1 號線二期采用的是國標B 型車，車廂長度19.52m，列車按6 輛編組。 車輛最大軸重140kN，最小軸重65kN，計算時最大、最小軸重按每節車長隨機組合排列。采用的車輛形式如圖4 所示。

圖4 列車輪壓示意圖（單位：cm）

該工程軌道梁采用橡膠支座作用在車站框架橫梁上，計算模型中在橡膠支座作用點處輸入列車及水平荷載。

3.2.2 結構恒活載

車站其他主要荷載有樓屋面恒、活載（包括人群荷載、設備荷載等）、風載、雪載、溫度荷載等。

3.2.3 地震荷載

根據《寧波市軌道交通1 號線二期工程場地設計地震動參數專題報告》，松花江路站抗震設防烈度為7度，設計地震基本加速度為0.102g，場地類別為III類，設計地震分組為第一組，特征周期為0.53s；根據《建筑結構抗震設計規范（2016年版）》（GB 50011—2010）規定，該站為乙類設防，框架抗震等級為二級。

3.3 預應力鋼絞線的設置原則

3.3.1 預應力鋼絞線的選擇

車站站廳層及站臺板下層懸臂蓋梁均采用后張法有黏結預應力技術，該工程預應力以《預應力混凝土結構設計規范》（JGJ 369—2016）作為設計依據，預應力筋采用極限強度標準值= 1860MPa 的高強低松弛鋼絞線，預應力張拉控制應力為= 0.7×1860 = 1302MPa，= 1.95×10MPa。

3.3.2 預應力鋼絞線的基本線形布置

根據雙向懸臂蓋梁的結構受力特點，中間跨蓋梁布置為直線型的預應力鋼絞線，預應力鋼絞線分2 排布置，每排4 孔，2 排預應力鋼筋距離梁頂尺寸分別為250mm 和450mm。蓋梁懸臂端采用兩段反向相切拋物線與中間跨預應力鋼筋順接，懸臂端2 排預應力鋼絞線距離梁頂尺寸分別為465mm 和830mm。

3.3.3 錨具及波紋管的選用

預應力蓋梁混凝土強度等級為C40，彈性模量= 3.25×10MPa。預應力鋼筋一端固定，一端張拉。張拉端采用夾片式錨具，并預留內置錨頭張拉器，代替臨時鋼絞線，達到節約成本的目的；固定端采用擠壓式錨具，錨具安裝在結構內，張拉完成后采用C45 級微膨脹細石混凝土封閉。預應力鋼絞線預埋孔道采用直徑為90mm 的塑料波紋管，預應力鋼絞線張拉完成后對孔道采用強度等級為42.5 普通硅酸鹽水泥灌漿固結。

3.4 預應力懸臂蓋梁計算分析

3.4.1 預應力配筋設計

預應力鋼絞線線形的設置需滿足預應力產生的綜合彎矩與橫向懸臂蓋梁在荷載準永久組合、標準組合下的彎矩相吻合，線形布置是否合理直接影響梁結構的抗裂驗算，若抗裂計算滿足要求，說明預應力鋼絞線線形布置合適。

可按下式確定預應力鋼絞線面積：

式（1）中：表示預應力筋有效預加力；表示張拉控制應力；σ表示預應力總損失。

選取其中一榀橫向預應力懸臂蓋梁進行分析。該車站的設計使用年限為100年，環境類別為二a，正常使用極限狀態下的蓋梁的裂縫寬度按0.2mm 控制。懸臂蓋梁的普通鋼筋、預應力鋼絞線如圖5、圖6所示。

圖5 懸臂蓋梁預應力配筋示意圖（尺寸單位：mm）

圖6 懸臂蓋梁截面配筋圖（尺寸單位：mm）

3.4.2 預應力鋼絞線的張拉控制及相關事項

預應力懸臂蓋梁在使用階段的預加力反拱值按剛度EI進行計算，并考慮預壓應力長期作用的影響，計算中預應力鋼筋的應力應扣除全部預應力損失，計算的反拱值應乘以=2.0 增大系數。

預應力懸臂蓋梁對撓度較敏感，在施工過程中應通過預應力筋的張拉次序合理控制蓋梁的反拱和撓度。結合懸臂蓋梁的受力特點，預應力張拉時應避免懸臂蓋梁出現較大的反拱而造成蓋梁梁底根部開裂，因而在施工時不應隨意變更預應力筋的張拉次序。預應力蓋梁設計時應充分考慮施工順序及施工荷載對蓋梁根部的影響，若結構最終受力狀態和施工過程狀態不同，且施工過程狀態不能滿足結構受力要求時，應及時進行施工過程優化。

混凝土強度達到100%后允許進行預應力鋼絞線的張拉，工程的預應力鋼絞線張拉順序為：張拉上排中間2 束N2 鋼絞線—張拉下排中間2 束N4 鋼絞線—張拉上排外側2 束N1 鋼絞線—完成下排外側2 束N3鋼絞線張拉。

3.4.3 非預應力筋計算

預應力混凝土蓋梁截面計入縱向受壓鋼筋的混凝土受壓區高度應滿足x≤0.35h，按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= 2.5%。結合該工程懸臂蓋梁的特點，通過反復計算并調整預應力鋼絞線的設置高度及預應力鋼絞線的配置數量，預應力鋼筋換算成非預應力鋼筋后梁全部縱向受拉鋼筋實際配筋率控制在= 2.40%，滿足規范要求。

同時梁端截面配筋A應滿足下列公式要求：式（2）中：表示預應力筋抗拉強度設計值；表示普通鋼筋抗拉強度設計值；表示預應力筋重心離截面受壓區邊緣纖維距離；表示普通鋼筋重心離截面受壓區邊緣纖維距離；表示受拉區縱向預應力筋的截面面積。

3.4.4 預應力蓋梁撓度計算

通過PKPM 三維建模分析計算：預應力鋼絞線張拉結束后懸臂蓋梁反拱值達到了13.2mm，抵消了原普通懸臂蓋梁1/2 左右的撓度值。在荷載標準組合工況下，考慮荷載長期作用的影響，計算得到預應力懸臂蓋梁最大撓度為= 14.96mm（見圖7），遠小于= 23.33mm 的撓度限值，滿足規范要求。

圖7 預應力懸臂蓋梁撓度計算模型（撓度單位：mm）

4 結語

寧波地鐵1 號線二期工程已開通運營6年，從現場監測數量來看，高架車站橫向預應力懸臂蓋梁的實際撓度與設計計算撓度值基本吻合，橫向預應力懸臂蓋梁沒有發現肉眼可見的開裂變形，證明車站橫向預應力懸臂蓋梁在軌道交通高架車站的應用是合理可行的。實際工程應用中若考慮反拱計算的蓋梁長期撓度仍不滿足要求，應通過施工預起拱等方式合理地調整控制蓋梁撓度，通常預起拱按= 0.1%～0.3%考慮。