哈爾濱西客站軌道層預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鄭文忠，游 濤，王 英，閆 凱

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150090哈爾濱)

1 工程概況

哈爾濱西客站是哈大高速鐵路專線的組成部分，總建筑面積達(dá)69 996.3 m2，為東北地區(qū)重要交通樞紐之一.該客運(yùn)站由上到下按功能分為商業(yè)層、候車層、軌道層和出站層.軌道層位于標(biāo)高±0處，其上鋪設(shè)有22條列車軌道，結(jié)構(gòu)采用梁柱框架結(jié)構(gòu)，軌道層橫向梁1 500 mm×2 500 mm、站臺梁900 mm×3 400 mm采用普通鋼筋混凝土，縱向梁1 600 mm×2 700 mm，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土.結(jié)構(gòu)布置及局部位置關(guān)系見圖 1、2.

圖1 哈爾濱西客站軌道層結(jié)構(gòu)布置(m)

圖2 軌道層局部位置關(guān)系(m)

工程結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造等級為二級，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C50，預(yù)應(yīng)力筋采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為fptk=1 860 N/mm2的φs15低松弛鋼絞線.預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制應(yīng)力為0.75fptk，當(dāng)澆筑的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度達(dá)到其設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級時張拉.非預(yù)應(yīng)力縱筋和箍筋均采用HRB335級鋼筋.

2 內(nèi)力計(jì)算

軌道層除了承擔(dān)結(jié)構(gòu)自重和站臺活荷載以外，還要承擔(dān)列車?？亢瓦M(jìn)出站時所產(chǎn)生的列車荷載.當(dāng)列車?？空九_時，列車荷載對于結(jié)構(gòu)為靜荷載;當(dāng)列車進(jìn)出站時，列車荷載對于結(jié)構(gòu)為動荷載，此時需要荷載乘以動力放大系數(shù).根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》［1］，鐵路列車豎向靜荷載采用“中－活載”計(jì)算，見圖3.

由于軌道層各框架梁處于不同標(biāo)高上，因而建立模型時不考慮板的有利作用，采用平面框架模型，并人工導(dǎo)入荷載，見圖4.預(yù)應(yīng)力混凝土縱向框架梁所受荷載為:結(jié)構(gòu)自重、站臺梁承擔(dān)的站臺活荷載以及列車活荷載，8條列車軌道設(shè)置于縱向梁，考慮列車活荷載的最不利布置，最終得到縱向梁各控制截面的內(nèi)力見表1.

圖3 “中-活載”示意(距離單位m)

圖4 預(yù)應(yīng)力縱向梁簡化計(jì)算模型(m)

表1 縱向梁各控制截面內(nèi)力

3 預(yù)應(yīng)力混凝土梁配筋計(jì)算

軌道層預(yù)應(yīng)力混凝土縱向框架梁一方面為4跨共86 m的大梁，結(jié)構(gòu)超長;另一方面在靠近支座處受到較大集中荷載的作用，在選取線型時采用拋物線與直線的組合線型，這樣將導(dǎo)致曲線布筋時的轉(zhuǎn)角曲率較大.上述兩方面均會引起較大預(yù)應(yīng)力摩擦損失，而軌道層作用有列車動荷載，為了保證結(jié)構(gòu)的整體性，不宜設(shè)置后澆帶，為減小預(yù)應(yīng)力摩擦損失，設(shè)計(jì)時采用改進(jìn)預(yù)應(yīng)力梁的配筋形式，提出了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋與有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋混合配筋、分段張拉梁側(cè)錨固以及直線配筋3種配筋方案.

3.1 直線配筋方案

預(yù)應(yīng)力孔道摩擦損失由管道偏差及孔道彎曲兩部分影響組成，直線配置預(yù)應(yīng)力筋孔道摩擦損失理論上可降至最低，為此有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋束通長布置于預(yù)應(yīng)力混凝土梁的上部和下部，計(jì)算流程見圖5.

圖5 直線配筋預(yù)應(yīng)力混凝土梁計(jì)算流程

根據(jù)承載能力要求，計(jì)算得到預(yù)應(yīng)力混凝土梁下部需配置90φs15(Ap=12 510 mm2)，下部需配置117φs15(Ap=16 263 mm2).由實(shí)際配筋可以分析得到在端部預(yù)加力作用下結(jié)構(gòu)的綜合彎矩圖，見圖6.

圖6 直線配筋預(yù)應(yīng)力混凝土梁綜合彎矩(kN·m)

由圖6可知，預(yù)應(yīng)力筋的張拉使支座處出現(xiàn)負(fù)彎矩，且外荷載效應(yīng)使支座處出現(xiàn)負(fù)彎矩，對預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗裂驗(yàn)算，外荷載彎矩與綜合彎矩疊加，對支座梁截面的抗裂性能更為不利，因此該工程不宜采用直線配筋方案.

3.2 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋與有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋混合配筋方案

有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的孔道摩擦損失比無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋大，故在滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋代替部分有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，進(jìn)而形成以有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋為主、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋為輔的混合配置預(yù)應(yīng)力筋方案，能夠減小預(yù)應(yīng)力摩擦損失，進(jìn)而提高預(yù)應(yīng)力梁的整體工作性能.

在抗震設(shè)防區(qū)對配置預(yù)應(yīng)力筋的混凝土梁，理論上應(yīng)優(yōu)先選擇有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋配置方案.對于跨度大、外荷載大的預(yù)應(yīng)力梁，當(dāng)以裂縫寬度和撓度限制控制進(jìn)行配筋計(jì)算時，可采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋混合配筋的方案，其中無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量應(yīng)按以下原則計(jì)算確定［2］:

1)預(yù)應(yīng)力混凝土梁在水平地震和豎向荷載作用下，其承載能力由非預(yù)應(yīng)力筋和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋共同承擔(dān)，裂縫寬度和撓度的限值要求由無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋共同滿足.因此即使預(yù)應(yīng)力混凝土梁經(jīng)歷地震時某跨無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋失效，也不會引起整體結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌.

2)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋面積(Ap1)和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋面積(Ap2)的總面積Ap=Ap1+Ap2，應(yīng)滿足所選擇的預(yù)應(yīng)力度以及使用性能雙重要求，預(yù)應(yīng)力度對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能和使用性能有較為重要的影響.

對于預(yù)應(yīng)力混凝土梁，在滿足截面構(gòu)造要求前提下，采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋混合配置預(yù)應(yīng)力筋方案時，應(yīng)盡可能將有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋配置于靠近預(yù)應(yīng)力混凝土梁受力較大的受拉邊緣，將無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋配置于預(yù)應(yīng)力混凝土梁的內(nèi)側(cè)，使內(nèi)力臂增大，預(yù)應(yīng)力筋面積減小.本工程受力較大的位置為軌道層縱梁支座處，故采用的預(yù)應(yīng)力筋配置方式見圖7.

圖7 支座截面預(yù)應(yīng)力筋配置

根據(jù)第一條原則可以確定預(yù)應(yīng)力筋量:按預(yù)應(yīng)力混凝土梁單筋截面承載力公式可以確定各控制截面所需有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋量，并取最大值為90bφs15(Ap=12 510 mm2);按截面抗裂要求補(bǔ)足無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋量30Uφs15(Ap=4 170 mm2).依據(jù)與預(yù)應(yīng)力筋共同作用以滿足承載力極限狀態(tài)要求，以及滿足最小配筋率和第二條要求的原則，計(jì)算確定非預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量，計(jì)算得到非預(yù)應(yīng)力筋的用量和總面積為

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋混合配置預(yù)應(yīng)力筋方案的預(yù)應(yīng)力筋線型見圖8.張拉端設(shè)置在邊跨梁端中心軸附近，以便梁端截面負(fù)彎矩承載力設(shè)計(jì)值不致于超強(qiáng)過多，并且預(yù)應(yīng)力偏心引起的彎矩小，預(yù)應(yīng)力筋在框架柱頂部引起的次彎矩對整體受力性能較為有利.

由以上分析可以看出，采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋混合配置預(yù)應(yīng)力筋的方式可以有效減小預(yù)應(yīng)力孔道摩擦損失，與完全配置有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋相比，該方案的預(yù)應(yīng)力筋用量大為減小，在滿足正常使用狀態(tài)條件下，預(yù)應(yīng)力混凝土梁截面承載力設(shè)計(jì)值超強(qiáng)相對減小，可改善預(yù)應(yīng)力混凝土梁截面延性，提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能.

圖8 混合配筋預(yù)應(yīng)力筋線型(m)

3.3 分段張拉梁側(cè)錨固配筋方案

梁中部支座處的彎矩較大，若梁中預(yù)應(yīng)力筋通長布置，為了保證裂縫寬度控制能夠滿足要求需要配置大量預(yù)應(yīng)力筋，而在靠近張拉端的控制截面由于預(yù)應(yīng)力損失較小，所需筋量也較少，按中部支座截面抗裂要求配置的預(yù)應(yīng)力筋就會超量，這樣將導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁各跨的預(yù)應(yīng)力水平相差較大，對結(jié)構(gòu)性能不利［3－5］.

分段張拉梁側(cè)錨固配筋方案是將4跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁分成左右兩部分，軸分別布置預(yù)應(yīng)力筋束，然后各自進(jìn)行兩端張拉，中部的張拉端設(shè)置在梁側(cè)，但須在梁側(cè)設(shè)置張拉用的混凝土小牛腿.混凝土小牛腿的計(jì)算可采用三角形桁架計(jì)算模型［6－7］，梁側(cè)面與預(yù)應(yīng)力筋張拉面的夾角為17°，按張拉控制應(yīng)力和余弦定理即可計(jì)算小牛腿承擔(dān)的豎向分力Fv=Apσconcos17°=15375kN，綜合考慮計(jì)算結(jié)果和構(gòu)造要求，確定水平拉筋為).混凝土小牛腿的詳圖見圖9.該方法將有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的長度減少一半，預(yù)應(yīng)力摩擦損失將大為減小，使設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理．

預(yù)應(yīng)力梁中同一高度每排布設(shè)預(yù)應(yīng)力筋4束，位于梁截面外側(cè)的2束預(yù)應(yīng)力筋首先伸出梁的側(cè)面并于靠近○L軸的混凝土小牛腿端部張拉;位于梁截面內(nèi)側(cè)的2束預(yù)應(yīng)力筋后伸出梁的側(cè)面并于第2排混凝土小牛腿端部張拉．預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)分批對稱張拉，同一高度的預(yù)應(yīng)力筋束同一時刻對稱張拉，可避免張拉預(yù)應(yīng)力階段預(yù)應(yīng)力使梁中出現(xiàn)較大的側(cè)向力．分段張拉梁側(cè)錨固配筋的預(yù)應(yīng)力筋布置見圖10．

圖9 梁側(cè)張拉用小牛腿構(gòu)造詳圖

圖10 預(yù)應(yīng)力筋立面及平面布置

經(jīng)計(jì)算，預(yù)應(yīng)力混凝土梁中需配置預(yù)應(yīng)力筋量為108φs15(Ap=15 012 mm2)，非預(yù)應(yīng)力筋量為4525(As=22 095 mm2)．

根據(jù)文獻(xiàn)［9］，對于二、三級抗震等級的預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁端截面相對受壓區(qū)高度x/h0不應(yīng)大于0.35．由于在軸支座截面處，左右兩側(cè)的預(yù)應(yīng)力筋在此處通過，該截面的相對受壓區(qū)高度將超過規(guī)范限值，因而在保證預(yù)應(yīng)力混凝土梁截面大小不變的條件下，可將一定數(shù)量的受壓鋼筋設(shè)置于梁的端部．經(jīng)分析，梁端受壓區(qū)需配置3025的受壓鋼筋，梁端及支座非預(yù)應(yīng)力筋配置見圖11．

圖11 梁端及支座非預(yù)應(yīng)力筋配置(m)

4 疲勞驗(yàn)算

列車客運(yùn)站的軌道層結(jié)構(gòu)承擔(dān)列車荷載的重復(fù)循環(huán)作用，在使用荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土梁截面允許開裂，為此應(yīng)對該預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞驗(yàn)算．

根據(jù)文獻(xiàn)［10］，對承受疲勞荷載作用的構(gòu)件，應(yīng)驗(yàn)算鋼筋應(yīng)力幅，其允許值［Δσ］若無試驗(yàn)依據(jù)可按表2選?。?/p>

表2 鋼筋應(yīng)力幅允許值［Δσ］ MPa

對于允許開裂的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，其開裂截面的非預(yù)應(yīng)力筋和預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力幅可按下式計(jì)算

式中:Δσp1為消壓后預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量(MPa);Δσs2，Δσp2分別為消壓后按開裂截面計(jì)算的非預(yù)應(yīng)力筋和預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量(MPa);σsg，σpg分別為由恒載引起的非預(yù)應(yīng)力筋及預(yù)應(yīng)力筋中的應(yīng)力(MPa).

按照規(guī)范提供的公式，對各項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算，最終得到預(yù)應(yīng)力筋及非預(yù)應(yīng)力筋的疲勞應(yīng)力幅為

兩者均滿足規(guī)范限值要求，說明軌道層預(yù)應(yīng)力混凝土梁不會發(fā)生疲勞破壞.

5 結(jié)語

哈爾濱西客站軌道層預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)為超長結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，本文對比分析了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋混合配筋方案、分段張拉梁側(cè)錨固配筋方案以及直線配筋3種方案.計(jì)算結(jié)果表明:前2種方案一方面可以大大減小預(yù)應(yīng)力摩擦損失，減少預(yù)應(yīng)力筋用量，使設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理;另一方面又緩解了承載力設(shè)計(jì)值超強(qiáng)過多對結(jié)構(gòu)的不利影響，改善構(gòu)件截面延性，提高抗震性能.

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(編輯趙麗瑩)