韓國跨坐式單軌交通預應力混凝土軌道梁設計評價

韓 軍 朱爾玉

(北京交通大學土木建筑工程學院，100044，北京∥第一作者，碩士研究生)

韓國大邱市軌道交通3號線采用跨坐式單軌交通，這在韓國是首次。3號線全長23.95 km，共設有30個車站，還設計有一個車輛段和一個存車場。大邱軌道交通3號線在線路設計上分為8個標段，由不同的設計單位進行軌道梁的標準圖設計。

1 跨坐式單軌交通軌道梁截面和跨度

1.1 韓國大邱的軌道梁截面和跨度

目前，世界上已運營的和在建的跨坐式單軌交通中，軌道梁普遍采用預應力混凝土簡支梁，常用的標準跨度為20 m、22 m和24 m。在韓國大邱市跨坐式單軌交通中，PC(預應力混凝土)軌道梁最大跨度達到了30 m，這在世界上是首創(chuàng)。軌道梁跨度增加到30 m，而截面寬度由于受車輛跨座限制仍保持0.85 m不變?？缍鹊脑龃笫沟煤爿d作用下跨中彎矩也大大提高，原有的截面高度已不能滿足結(jié)構(gòu)設計要求，因此，軌道梁高度增加到1.8 m。

預應力簡支軌道梁的設計計算和單軌工程實踐證明，在軌道梁橫截面高度1.5 m、寬度0.85 m不變的前提下，所采用的簡支梁最大跨度一般為22 m(中國重慶軌道交通2號線一期)和24 m(中國重慶軌道交通2號線二期)。圖1為中國重慶和韓國大邱的標準軌道梁的跨中截面圖。

圖1 我國重慶和韓國大邱的標準軌道梁跨中截面圖

中國重慶在軌道梁截面保持1.5 m(高)×0.85 m(寬)的前提下，對25 m跨度的直線軌道梁進行了動靜力試驗，但是為了確保安全性，沒有在實際運營線路中采用25 m跨度的軌道梁。

在韓國大邱市軌道交通3號線中，PC軌道梁共計1 284榀，主要標準跨度為30 m和25 m，此外還有非標準的調(diào)整梁段，其軌道梁最小跨度為12 m。按照跨度對韓國大邱軌道交通3號線的標準軌道梁進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。由表1可見，跨度變化范圍較大。但是，為了簡化設計工作和便于軌道梁在預制場進行工廠化生產(chǎn)，軌道梁的標準斷面尺寸統(tǒng)一采用1.8 m(高)×0.85 m(寬)。

表1 大邱市軌道交通3號線軌道梁按跨度統(tǒng)計表

1.2 對韓國軌道梁截面和跨度的評價

韓國大邱市軌道交通3號線工程中主要采用30 m和25 m跨度的PC軌道梁，占全線軌道梁總數(shù)的81.8%。采用大跨度軌道梁減少了每公里橋墩的數(shù)量，在一定程度上降低了橋墩林立的感覺，增加了高架橋下的通透感。PC軌道梁跨度變大不僅減少了軌道梁和下部結(jié)構(gòu)的數(shù)量，降低了土建工程的造價，同時也相應減少了支座、指行板等構(gòu)件的數(shù)量和后期架梁的工作量。

對于小于25 m跨度的軌道梁來說，根據(jù)日本和我國重慶的經(jīng)驗，采用1.5 m(高)×0.85 m(寬)截面就可以滿足結(jié)構(gòu)計算要求。而韓國的25 mm及以下跨度軌道梁截面采用1.8 m(高)×0.85 m(寬)，就顯得浪費材料、不經(jīng)濟。因此，在軌道梁布置時應盡量少用小跨度軌道梁。

2 我國和韓國的軌道梁混凝土強度等級標準

韓國大邱的軌道梁設計采用C45級混凝土，中國重慶軌道梁規(guī)定采用C60級以上的高性能混凝土。中韓兩國的混凝土強度等級的定義不同。中國的混凝土強度等級按立方體試件(邊長為150 mm)抗壓強度標準值確定，用符號fcu，k表示;而韓國采用混凝土圓柱體試件(高 h=300 mm，直徑 d=150 mm)來確定混凝土軸心抗壓強度，記為f'c;歐洲混凝土協(xié)會、國際預應力混凝土協(xié)會標準 CEBFIPMC－90給出了對C60混凝土的圓柱體抗壓強度f'c和立方體抗壓強度標準值fcu，k之間的關(guān)系為f'c=0.833fcu，k(1)

按式(1)計算，韓國采用的C45級混凝土相當于中國規(guī)范中的C55級混凝土。中國和韓國的軌道梁，其混凝土強度和彈性模量的設計值見表2。

表2 中國和韓國的軌道梁混凝土參數(shù)表

3 軌道梁預應力設計

3.1 韓國大邱PC軌道梁預應力設計

3.1.1 預應力鋼筋的布置

韓國大邱軌道交通3號線PC軌道梁采用韓國規(guī)范的KSD7002 SWPC7B(φ12.7 mm)低松弛鋼絞線，這與中國規(guī)范中的1×7公稱直徑12.7 mm、截面積為98.7 mm2的鋼絞線相對應。韓國為了減少預應力孔道對截面的削弱作用，在30 m標準跨度軌道梁上進一步減少了預應力孔道，采用2列4孔布置，如圖2所示。

圖2 韓國大邱30 m跨度軌道梁的端部預應力布置圖

在預應力鋼筋設計時，根據(jù)軌道梁構(gòu)造特點及受力模式的特殊性，梁體內(nèi)預應力鋼筋宜采用多孔分散布置。中國重慶軌道交通2號線一期工程中，為了減小錨頭下混凝土局部壓應力，預應力孔道設置較多，22 m跨度的軌道梁采用2列6孔布置;在后期的重慶軌道交通2號線二期工程以及重慶軌道交通3號線一期和二期工程中，在滿足鋼束張拉時局部承壓安全性的前提下，最多采用2列5孔布置。

韓國大邱的軌道梁截面高度增加至1.8 m，空間上滿足多孔分散錨固的條件，預應力鋼筋布置可以采用2列6孔形式。但在設計時，韓國大邱的軌道梁預應力孔道最多為2列4孔布置，這使單個預應力孔道中鋼絞線數(shù)量增加，單孔總張拉力增大，錨頭下混凝土局部壓應力也增大。因此，其對錨墊板和端部混凝土的振搗質(zhì)量要求更嚴格。

3.1.2 預應力張拉程序

韓國大邱軌道交通3號線是韓國第一條單軌交通線，因此在進行單軌交通軌道梁設計時，沒有設計經(jīng)驗，仍沿用以前的橋梁設計理念。在韓國大邱的軌道梁設計圖紙中，沒有指明張拉批次，只是把鋼束編號作為張拉序號進行張拉，對分批張拉時混凝土需要達到的強度、彈性模量和張拉齡期都未給出規(guī)定值。而對預應力的張拉有如下幾點規(guī)定:張拉時，混凝土的強度應達到設計強度的85%;設計圖中沒有明確采取初張拉和終張拉，而是按照圖2中鋼束編號進行依次張拉;張拉時也采用“雙控”原則，即按張拉應力控制和伸長量校核，現(xiàn)場實測最終伸長量和設計伸長量的差值按±5%來控制。

建議韓國在以后的預應力設計時，應對初張拉、終張拉和張拉順序作出明確規(guī)定。例如，在中國的《重慶跨坐式單軌交通PC軌道梁生產(chǎn)技術(shù)條件(修正版)》中對初張拉、終張拉和張拉順序作出了明確規(guī)定，如表3所示。

表3 重慶軌道交通3號線22 m跨度軌道梁預應力張拉程序表

3.2 對韓國大邱軌道梁預應力設計的評價

韓國大邱PC軌道梁的截面高度為1.8 m，可以采用增加預應力孔道數(shù)量，來達到改少應力集中的目的。但是，在大邱軌道交通3號線預應力設計中卻減少了預應力孔道數(shù)量(最多8孔)，而通過增加每孔中預應力鋼束的數(shù)量來滿足總的預應力值要求。這樣做會造成梁端錨固區(qū)局部應力過大，對錨具和混凝土澆筑質(zhì)量要求更高;且隨著單孔張拉力的增加，可能會發(fā)生軌道梁張拉時壓碎和側(cè)彎現(xiàn)象。此外，在韓國大邱的軌道梁預應力設計時，沒有明確初張拉和終張拉。按照重慶經(jīng)驗，采用初張拉能提高模板臺車的周轉(zhuǎn)率。因此，建議韓國在設計圖紙中明確初張拉和終張拉的時間，并對混凝土強度、彈性模量和鋼束張拉順序等都要作出明確的要求。

4 軌道梁普通鋼筋設計

4.1 韓國大邱PC軌道梁普通鋼筋設計

韓國大邱軌道交通3號線在線路設計時分為8個標段，由8家不同的設計單位進行軌道梁設計，因此軌道梁設計圖紙不統(tǒng)一。其中，普通鋼筋布置的差別也較大;在8個標段的軌道梁縱向鋼筋設計中，縱向鋼筋的數(shù)量和直徑?jīng)]有統(tǒng)一的標準。對韓國大邱的PC軌道梁標準設計圖中軌道梁縱向鋼筋布置進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，縱向主筋數(shù)量有40根、44根和46根三種?？v向鋼筋配置的統(tǒng)計結(jié)果見表4。圖3為縱向主筋為40根和44根的截面布置圖。

圖3 韓國大邱軌道梁的縱向鋼筋布置圖

表4 韓國大邱每榀軌道梁縱向鋼筋配置統(tǒng)計表

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，在1、3、5標段的設計中，軌道梁縱向鋼筋的布置在各自標段內(nèi)是統(tǒng)一的。按照3標段的設計，縱向鋼筋最少，總面積僅為8 437 mm2，截面配筋率只是8標段的54%，相差太大。由此可見，不同標段的縱向主筋配置差別較大。

在其余5個標段中，縱向鋼筋的配置同軌道梁的跨度和線路的平面曲線半徑有關(guān)。如在2標段內(nèi)，跨度為30 m、半徑為1 200 m的軌道梁縱向鋼筋配置為44根(38φ22 mm+6φ13 mm);跨度為23 m、半徑為1 200 m的軌道梁縱向鋼筋總面積減少，配置縱向主筋44根(38φ16 mm+6φ13 mm)。

在重慶市的跨坐式單軌線路設計中，一條線路一般由一個設計單位進行設計，因此同一條線的軌道梁設計圖紙比較規(guī)范和統(tǒng)一，普通鋼筋布置也一致;縱向鋼筋布置的數(shù)量和直徑僅在不同線路時有所區(qū)別(重慶軌道交通2號線軌道梁的縱向鋼筋有36根，重慶軌道交通3號線軌道梁的縱向鋼筋有50根，見表5所示)。

表5 重慶市軌道梁縱向鋼筋組成表

表5中的數(shù)據(jù)說明，在經(jīng)過重慶軌道交通2號線的設計和工程檢驗后，3號線的設計更加成熟，其縱向鋼筋總面積減少了12%，更加經(jīng)濟。此外，為了設計和施工方便，縱向鋼筋的配置與跨度大小無關(guān)，如3號線中跨度為24 m和14 m的軌道梁縱向鋼筋的布置間距相同，數(shù)量都為50根。

4.2 對韓國大邱軌道梁普通鋼筋設計的建議

韓國大邱軌道交通3號線軌道梁設計時，由于分為8個標段分別設計，普通鋼筋布置沒有統(tǒng)一性，因此建議韓國再進行類似設計時，應對同一條線普通鋼筋進行統(tǒng)一設計，對箍筋布置的間距、縱向鋼筋組成、箍筋和縱筋直徑等進行統(tǒng)一規(guī)定。這樣不僅統(tǒng)一了普通鋼筋的設計，也方便現(xiàn)場施工。

根據(jù)表1和表4的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以對大邱軌道交通3號線軌道梁的縱向鋼筋配置按照跨度進行優(yōu)化(見表6)，以減少縱向鋼筋配置的種類。

表6 韓國大邱軌道交通3號線軌道梁的縱向鋼筋配置優(yōu)化

5 結(jié)語

大邱軌道交通3號線是韓國第一次采用跨坐式單軌的交通系統(tǒng)，其PC軌道梁標準斷面尺寸在寬度保持0.85 m的前提下，高度增加到1.8 m，采用了最大跨徑30 m的簡支軌道梁。橋梁跨度的加大減少了每公里橋墩數(shù)量，增加了高架橋的景觀效果。

由于韓國沒有相應的跨坐式單軌交通的設計規(guī)范，其設計參照了日本和中國的設計規(guī)范，因此還有很多不完善的地方。根據(jù)中國的設計經(jīng)驗和工程實踐，現(xiàn)對韓國跨坐式單軌交通提出如下建議:

1)在橋跨布置時，應優(yōu)先采用30 m和25 m較大跨徑的軌道梁，減少25 m跨度以下軌道梁的數(shù)量;

2)可以考慮增加預應力孔道數(shù)量，以降低單孔張拉力和預應力集中的問題;

3)在設計圖紙上需對預應力鋼束初張拉、終張拉和張拉順序作出明確規(guī)定;

4)在同一條線路上應統(tǒng)一預應力和普通鋼筋的配置設計，以方便現(xiàn)場施工;

5)由于軌道梁截面和跨度的加大造成了梁體自重加大，故應對軌道梁的架運設備和線形調(diào)整提出更高的要求。

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