高架車站大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁設(shè)計探討

楊開屏

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司城建院,西安 710043)

1 概述

城軌交通中,獨柱車站良好的景觀及道路適應(yīng)性在低烈度地區(qū)多作為路中車站方案采用。作為獨柱高架車站主要承載構(gòu)件的蓋梁,由于站臺寬度的計算要求[1],一般懸挑長度多在10 m左右,且需承受建筑靜荷載及列車動荷載,其荷載種類和分布狀態(tài)較為復(fù)雜。結(jié)合重慶某獨柱高架車站,比較大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁在橋、建兩類規(guī)范中的設(shè)計理論及設(shè)計結(jié)果,探討遵循容許應(yīng)力法的工程中,預(yù)應(yīng)力設(shè)計的幾個問題。

2 工程背景

本工程為高架三層側(cè)式車站,結(jié)合站廳功能及規(guī)模要求,柱距采用11、12、13 m的組合布置,獨柱墩截面為2.2 m×2.8 m,蓋梁最大懸挑長度達(dá)10.1 m。下層蓋梁承擔(dān)站廳層建筑荷載,上層蓋梁承擔(dān)簡支軌道梁及站臺層荷載。墩梁的橫剖面如圖1所示。

圖1 車站墩梁橫剖面(單位：mm)

3 預(yù)應(yīng)力設(shè)計的兩類規(guī)范比較

對于橋-建組合式高架車站的蓋梁,兼具建筑構(gòu)件與橋梁構(gòu)件的特征。按照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[2](TB10002.3—2005)(以下簡稱“橋規(guī)”)的容許應(yīng)力法或《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3](GB50010—2002)(以下簡稱“建規(guī)”)的極限狀態(tài)法設(shè)計,均可得到滿足各自規(guī)范要求的設(shè)計結(jié)果,但兩類規(guī)范中,材料強度的取值,荷載效應(yīng)的組合方式以及檢算條件都存在差異。鐵路橋規(guī)主要按主力、附加力及特殊荷載進(jìn)行組合,按破壞階段檢算構(gòu)件強度,按彈性階段檢算應(yīng)力；建規(guī)則采用不同的分項系數(shù)及組合系數(shù),實現(xiàn)基本組合下的承載能力極限狀態(tài)驗算及標(biāo)準(zhǔn)組合下的正常使用極限狀態(tài)驗算。目前《地鐵設(shè)計規(guī)范》[4](GB50157—2003)對蓋梁類構(gòu)件仍推薦采用鐵路橋規(guī)設(shè)計,而對同一設(shè)計通常情況下,按建規(guī)設(shè)計方法獲得的構(gòu)件強度安全儲備系數(shù)將大于按鐵路橋規(guī)方法設(shè)計得到的[5]。

以上述工程為例,對預(yù)應(yīng)力蓋梁進(jìn)行設(shè)計。按不同規(guī)范進(jìn)行荷載效應(yīng)組合,可得到各自規(guī)范的荷載效應(yīng)值見表1,其中極限狀態(tài)設(shè)計法的效應(yīng)值考慮了1.1的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),以適用100年的使用年限。在相同的結(jié)構(gòu)材料及鋼束線形布置形式下,比較兩類設(shè)計方法的理論承載能力以及極限點到設(shè)計點之間的安全儲備量。極限狀態(tài)設(shè)計法的極限彎矩與設(shè)計彎矩及容許應(yīng)力法的實際強度安全系數(shù)與許用安全系數(shù)的比較見表1。

由表1可見,當(dāng)上層蓋梁總鋼束為20束12φs15.2時,下層蓋梁總鋼束為17束12φs15.2時,容許應(yīng)力法的強度安全系數(shù)已不滿足限值要求,而極限狀態(tài)設(shè)計法在強度安全儲備上仍有5%～13%的富余量。由此可見,在不同設(shè)計規(guī)范的理論計算中,建規(guī)的荷載組合方式及驗算方法下,構(gòu)件強度設(shè)計的經(jīng)濟性較好,而容許應(yīng)力法將略顯保守。實際中,對于大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁,滿足強度條件的設(shè)計尚可能存在施工階段應(yīng)力是否合理的問題,這使得預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)計需滿足多層次需求。

表1 兩類規(guī)范檢算結(jié)果比較

4 容許應(yīng)力法預(yù)應(yīng)力設(shè)計

由于國內(nèi)對城軌高架車站采用極限狀態(tài)法的設(shè)計經(jīng)驗相對不足,工程領(lǐng)域仍遵循《地鐵設(shè)計規(guī)范》,采用留有較大安全系數(shù)的容許應(yīng)力法設(shè)計,且便于實際操作。

采用容許應(yīng)力法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力蓋梁設(shè)計時,除滿足強度安全系數(shù)外,還需合理控制施工階段混凝土截面應(yīng)力及運營階段鋼束應(yīng)力比等,這些因素決定了鋼束線形的排布及張拉方案。

為抵抗外荷載,鋼束在蓋梁根部靠近上緣布置,接近懸臂端部逐漸下彎錨固,但由于蓋梁承載及懸臂長度較大,按運營階段計算配置的鋼束較多,在施工階段將會引起蓋梁下緣預(yù)拉區(qū)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。通常最下排鋼束線形布置需考慮解決施工階段過度受拉的問題。下排鋼束線形的布置可采用兩種方式,一是采用S形布置,即懸臂端下緣由平直段逐漸彎向蓋梁根部上緣布置；二是將下排鋼束貼近蓋梁下緣,基本呈直線形布置。兩種鋼束線形布置見圖2、圖3。

圖2 蓋梁鋼束線形布置1

圖3 蓋梁鋼束線形布置2

蓋梁兩種鋼束線形布置的端部錨固區(qū),鋼束排布形式均相同,如圖4所示。

圖4 上層及下層蓋梁端部錨固區(qū)大樣(單位：mm)

第一種鋼束線形布置,由于鋼束較貼近上緣,蓋梁下緣在施工階段將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,解決此問題需增加張拉批次,使施工工序復(fù)雜,且強度安全系數(shù)的提高可能造成施工階段受力合理性的降低。另鋼束采用S形布置將加大預(yù)應(yīng)力鋼束的摩阻損失,但在鋼束總長度不太長的情況下,對提高抗剪性能具有一定貢獻(xiàn)[6]。

第二種鋼束線形布置,在不增加張拉批次的情況下,可較好地解決施工階段蓋梁下緣的受拉問題,且較易實現(xiàn)強度安全系數(shù)的提高,但由于其下排鋼束放置位置較低,蓋梁上緣較第一種方式需加大鋼束配置量。蓋梁的抗剪性能可間接通過主拉應(yīng)力值度量[6]。

本工程采用BSAS軟件按不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計,徐變延續(xù)期執(zhí)行鐵路橋規(guī)取值。蓋梁每間隔1 m左右劃分1個單元,且在蓋梁單元形成期,節(jié)點處增加單向受壓支座[7],模擬施工階段臨時支撐。蓋梁的設(shè)計荷載來自Midas程序空間分析結(jié)果,荷載效應(yīng)值可見表1。蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束張拉共分兩批,擬定的張拉施工順序為：

(1)搭架澆筑站廳層、軌道層結(jié)構(gòu)構(gòu)件；

(2)張拉上層、下層蓋梁第1批鋼束N2,N3,N4及N6,N7,N8；

(3)架設(shè)車站軌道梁及澆筑站臺層結(jié)構(gòu)；

(4)拆除軌道層支架,張拉上層蓋梁第2批鋼束N1；

(5)拆除站廳層支架,張拉下層蓋梁第3批鋼束N5；

(6)施加站廳層裝修荷載、設(shè)備荷載,站臺層裝修荷載、設(shè)備荷載、軌道梁二期恒載、鋼結(jié)構(gòu)雨棚安裝；

(7)施加運營階段雙線列車荷載及站廳、站臺人群荷載。

按兩種鋼束線形布置分別調(diào)整后,得到雙線荷載主力作用下,蓋梁的主要檢算結(jié)果如表2所示。

表2 蓋梁檢算結(jié)果比較

從表2看出,鋼束線形布置2在每批鋼束張拉后,施工階段拉應(yīng)力較小,基本在1 MPa內(nèi),且可獲得較大的安全系數(shù)；而線形布置1,施工階段拉應(yīng)力及運營階段主拉應(yīng)力較大,解決拉應(yīng)力問題需通過增加鋼束張拉批次調(diào)整,為施工帶來不便,且提高強度安全系數(shù)將帶來施工階段拉應(yīng)力加劇的矛盾。線形2雖然相比增大了上排鋼束張拉噸位,但在各項指標(biāo)上更優(yōu)于線形1。對于高架車站,通常站臺雨棚的設(shè)計方案前期尚不能確定,作為下部支撐結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力蓋梁,預(yù)留較大的安全系數(shù)也具有實際意義,實際工程中鋼束配置采用線形2。

蓋梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計是多種指標(biāo)綜合調(diào)控的結(jié)果,鋼束線形調(diào)整時,需控制截面受壓區(qū)高度,以避免開裂荷載與破壞荷載接近引起的脆性破壞[8],并需考慮調(diào)整施工中的拉應(yīng)力。本工程的錨下控制應(yīng)力σcon取(0.67～0.70)fpk。此外,為使施工階段蓋梁受力合理,需預(yù)設(shè)施工階段,并依此分批張拉鋼束,最后應(yīng)使運營階段正應(yīng)力及主應(yīng)力等指標(biāo)取值合理。對于大懸臂蓋梁,為降低剛度不足引起的行車振動影響,將豎向撓度值從嚴(yán)控制,其值由規(guī)范[9]的l/300提高至20 mm[6],本工程蓋梁最大撓度理論計算值為10 mm。在張拉施工中,由于蓋梁與建筑結(jié)構(gòu)層的樓板現(xiàn)澆,為避免預(yù)應(yīng)力張拉引起的板面開裂問題,在蓋梁兩側(cè)設(shè)置后澆帶將預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)分開[10],待第一批預(yù)應(yīng)力鋼束張拉結(jié)束后,再完成二次澆筑。

5 結(jié)論

預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在有效控制梁高及抗裂性、耐久性上的優(yōu)勢是鋼筋混凝土構(gòu)件無法實現(xiàn)的,同時獨柱高架車站的大懸臂結(jié)構(gòu)由于撓度控制較嚴(yán)格,宜采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系。在預(yù)應(yīng)力蓋梁的設(shè)計中,有如下建議和結(jié)論。

(1)對橋-建組合式高架車站,鐵路橋規(guī)與建筑規(guī)范均有各自的設(shè)計理論體系,從承載能力即強度設(shè)計上來比較,目前遵循的容許應(yīng)力設(shè)計法,其構(gòu)件設(shè)計的強度安全儲備系數(shù)小于建筑規(guī)范的極限狀態(tài)設(shè)計法,經(jīng)濟性相比略低,量值在10%左右。

(2)大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁,由于懸挑長度及承載力較大,按運營階段計算配置的鋼束可能引起施工階段受力的不合理。本文比較了兩種鋼束線形布置,將下排鋼束貼近蓋梁下緣的直線形布置,可較好控制施工階段拉應(yīng)力,且張拉批次少,結(jié)構(gòu)可獲得的強度安全系數(shù)較高。

(3)結(jié)合施工階段分劃設(shè)置預(yù)應(yīng)力張拉批次,是為使施工階段蓋梁應(yīng)力值趨向合理,同時張拉批次不易設(shè)置過多,一般不超過2批,由此蓋梁束形調(diào)整需兼顧運營及施工階段。控制施工階段拉應(yīng)力可通過調(diào)整蓋梁下排鋼束線形實現(xiàn),通常每批鋼束張拉后,蓋梁下緣拉應(yīng)力宜在1 MPa內(nèi)。

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