青島藍色硅谷城際軌道交通U形梁的設(shè)計

劉紅緒

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安　710043)

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青島藍色硅谷城際軌道交通U形梁的設(shè)計

劉紅緒

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安710043)

摘要:U形梁作為一種開口殼體結(jié)構(gòu)，其空間受力特性復(fù)雜，本文結(jié)合青島藍色硅谷城際軌道交通高架區(qū)間U形梁的特點，采用BSAS軟件和Midas/Civil分別建立平面桿系模型和空間三維實體單元模型進行分析對比，結(jié)果顯示，U形梁截面應(yīng)力表現(xiàn)為不均勻性，實體單元應(yīng)力安全儲備值小于平面桿系模型。通過分析比較U形梁的受力特征，確認了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力儲備，對類似工程設(shè)計具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞:U形梁結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)力儲備桿系模型實體模型

1　工程概況

青島藍色硅谷軌道交通工程起點為苗嶺路和深圳路交口處，沿苗嶺路、濱海大道、領(lǐng)海路、皋虞河向北，終點為即墨市大橋鹽場，全長58. 44 km。其中高架段長約47 km，占線路總長的80%，線路預(yù)留經(jīng)田橫鎮(zhèn)延伸至海陽市的條件。沿線自然環(huán)境優(yōu)美，規(guī)劃為海洋科技創(chuàng)新及成果孵化帶，對環(huán)境和景觀要求高，建設(shè)工期短。高架區(qū)間確定采用的橋式結(jié)構(gòu)，要求運架方式較為靈活，受車站及節(jié)點橋施工干擾小，降噪效果好，結(jié)構(gòu)簡潔、美觀，最終選用單線簡支U形梁并置(小U形梁)方案［1］。

2　主要技術(shù)標準

1)設(shè)計使用年限:主體結(jié)構(gòu)為100年。

2)線路最小曲線半徑: 450 m。

3)最大線路縱坡: 29‰。

4)線間距:直線段5. 0 m;曲線段分5. 0 m及5. 1 m兩種。

5)車輛型號: B型車，4輛編組，最高行車速度120 km/h。

6)區(qū)間供電方式采用接觸軌授流。

7)地震烈度:抗震設(shè)防烈度為6度，地震動峰值加速度值為0. 05g。

3　結(jié)構(gòu)構(gòu)造

高架橋采用整孔預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡支U形梁，標準跨度30 m，梁型分5. 0 m線間距直線段、5. 0 m線間距曲線段和5. 1 m線間距曲線段3種。U形梁外觀整體呈U字形，為開口薄壁結(jié)構(gòu)，腹板為弧形設(shè)計，支座中心距梁端0. 6 m，梁端1. 2 m為U形梁底板加厚區(qū)，梁高由1. 8 m增至1. 94 m，漸變段長0. 42 m。內(nèi)外腹板厚分別為0. 260和0. 265 m，底板厚0. 26 m，梁端底板加厚至0. 4 m。

選擇二期恒載大、截面寬的5. 1 m線間距曲線段U形梁計算，其上寬5. 52，下寬4. 18 m(梁端底板加厚區(qū)底寬4. 78 m)，外腹板頂寬1. 0 m，內(nèi)腹板頂寬0. 57 m，線路中心線偏向內(nèi)腹板側(cè)，與底板中心線偏心0. 115 m?？缰信c梁端截面分別如圖1和圖2所示。

圖1跨中截面(單位: mm)

圖2梁端截面(單位: mm)

4　結(jié)構(gòu)分析

4. 1設(shè)計荷載

1)恒載

自重:預(yù)應(yīng)力混凝土重度取26. 5 kN/m3。

橋面附屬設(shè)施二期恒載集度采用32 kN/m。

支座安裝及架梁時，相鄰兩支點不均勻沉降Δ= 10 mm。

2)活載

青島藍色硅谷軌道交通工程列車設(shè)計荷載圖式如圖3。地鐵車輛豎向荷載應(yīng)按其實際軸重和排列計算，其動力系數(shù)取1 +μ，μ按現(xiàn)行《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》規(guī)定的計算值乘以0. 8［2］，即30 m U形梁活載動力系數(shù)取值為1. 178。

3)附加力

風(fēng)力:工點范圍內(nèi)百年一遇按風(fēng)速50 m/s計算?；撅L(fēng)壓800 Pa。

溫度變化影響力: U形梁溫度荷載模式考慮整體升溫25℃，降溫－30℃;考慮外側(cè)腹板局部升溫5℃;不均勻升溫按腹板頂至底板由8℃線性變化至4℃考慮［3］。

4. 2 U形梁平面桿系計算

采用全預(yù)應(yīng)力理論設(shè)計。鋼絞線采用符合GB 5224標準的φs15. 2 mm低松弛鋼絞線，抗拉強度標準值fpk= 1 860 MPa，彈性模量Ep= 1. 95× 105MPa。

U形梁底板束采用8根10φs15. 2 mm、腹板束采用2根7φs15. 2 mm低松弛鋼絞線，錨具分別采用M15-10和M15-7，金屬波紋管內(nèi)徑分別為90 mm和70 mm。底板及腹板預(yù)應(yīng)力筋中心線到底板底的距離分別為120 mm和115 mm。其預(yù)應(yīng)力鋼束布置如圖4、圖5所示。

圖3列車設(shè)計荷載加載圖式(長度單位: mm)

圖4 1 /2跨鋼束立面布置(單位: mm)

圖5跨中截面預(yù)應(yīng)力筋布置(單位: mm)

平面桿系主要計算結(jié)果見表1。

4. 3 U形梁空間實體單元模型分析

U形梁受力呈明顯的空間受力特征［4-5］，平面桿系模型主要用于結(jié)構(gòu)的整體受力分析及預(yù)應(yīng)力效應(yīng)與混凝土收縮徐變的分析，實體模型主要用于截面應(yīng)力分布規(guī)律的研究，根據(jù)實體模型的計算結(jié)果對平面桿系模型及結(jié)構(gòu)的總體應(yīng)力儲備進行調(diào)整。

1)荷載施加

U形梁為開口薄壁不對稱結(jié)構(gòu)，荷載的施加位置對其局部的受力影響較大。二期恒載包括軌道結(jié)構(gòu)、橋面鋪裝、聲屏障、電力電纜槽、信號電纜槽、疏散平臺等，其施加位置應(yīng)準確，以反映實際狀況。

活載橫向分布按道床寬度向下45°角擴算范圍均布。軌道扣件模擬為彈簧支座，其縱向間距0. 6 m，豎向剛度按150 kN/cm考慮。由此建立節(jié)點模型，通過支反力關(guān)系近似得出活載的縱向分布關(guān)系(見圖6)。

2)實體單元計算

空間實體單元模型采用Midas進行分析，分別選取跨中、1 /4截面及梁端截面進行檢算，活載按對應(yīng)截面的最不利影響線加載。預(yù)應(yīng)力取平面計算結(jié)果中運營階段對應(yīng)截面位置，鋼束有效預(yù)應(yīng)力值等效預(yù)壓力作為外力施加在實體模型上，得到實體單元模型中各結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點處的應(yīng)力值。

以跨中截面為例，自重、主力及主+附作用下的截面應(yīng)力云圖分別如圖7、圖8、圖9所示。

表1平面桿系模型計算結(jié)果

圖8主力作用下跨中截面縱向應(yīng)力云圖(單位: MPa)

圖9主+附作用下跨中截面縱向應(yīng)力云圖(單位: MPa)

從圖中可知U形梁截面呈現(xiàn)不對稱的特性，在主力作用下U形梁跨中截面全截面受壓，其中外側(cè)腹板下緣在主力、主+附作用下最小壓應(yīng)力分別為0. 9， 0. 6 MPa，滿足規(guī)范要求。

最大壓應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)側(cè)腹板上緣，主力、主+附作用下分別為12. 4和12. 6 MPa，滿足規(guī)范要求，其中內(nèi)外側(cè)腹板頂壓應(yīng)力相差達4. 9～6. 6 MPa。

靜活載作用下，梁體最大豎向位移在底板線路中心線偏內(nèi)側(cè)腹板側(cè)，為7. 7 mm(向下)，內(nèi)側(cè)腹板豎向位移7. 8 mm (向下)，外側(cè)腹板豎向位移4. 0 mm(向下)。

4. 4空間計算和平面計算的結(jié)果對比(表2)

表2平面桿系與空間實體單元分析的縱向應(yīng)力對比MPa

由于U形梁截面的不對稱及線路偏心的影響，空間實體單元模型截面應(yīng)力表現(xiàn)為不均勻性，平面桿系模型計算得截面下緣最小壓應(yīng)力為1. 51 MPa，而實體單元在主力及主+附作用下底板壓應(yīng)力分別為2. 8～0. 9 MPa，2. 5～0. 6 MPa，實體單元應(yīng)力安全儲備值要小于平面桿系模型計算結(jié)果，但均滿足規(guī)范要求。

4. 5橫向配筋驗算

橫向活載動力系數(shù)按1. 4考慮，通過三維實體模型分析得出底板中最大橫向名義拉應(yīng)力，反算彎矩進行鋼筋混凝土配筋。U形梁橫向配筋詳見表3，表4。

表3底板下緣配筋(主力)

表4底板下緣配筋(主+附)

由表中可見，混凝土，鋼筋應(yīng)力及裂縫驗算滿足設(shè)計規(guī)范要求。

5　小結(jié)

U形梁作為一種開口殼體結(jié)構(gòu)，其空間受力復(fù)雜，用常規(guī)的桿系結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析程序難以了解結(jié)構(gòu)中局部應(yīng)力的復(fù)雜分布狀態(tài)。通過對青島藍色硅谷軌道交通高架區(qū)間U形梁進行平面桿系與空間實體單元對比分析，確認采用空間實體單元分析更符合結(jié)構(gòu)實際情況。

參考文獻

［1］劉紅緒，趙會平．城際軌道交通U梁結(jié)構(gòu)設(shè)計研究［R］．西安:中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，2013．

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB 50157—2013地鐵設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013．

［3］吳訊，張鵬．軌道交通U形梁溫度模式研究［J］．山西建筑，2008( 32) : 28-29．

［4］王彬力．城市軌道交通U型梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受力行為研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2008．

［5］趙建軍，李偉．上海城市軌道交通高架區(qū)間U形梁設(shè)計與施工［J］．城市道橋與防洪，2009( 5) : 113-115．

(責任審編孟慶伶)

Design on U-shaped girder of Blue Silicon Valley intercity transit in Qingdao

LIU Hongxu

( China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710043，China)

Abstract:As an open shell structure，U -girder is complicated in terms of its spatial forces．T he characteristics of U -girder in the overhead area of the Blue Silicon Valley intercity rail transit in Qingdao were studied．A twodimensional link model and a spatial three-dimensional solid element model were respectively established by BSAS and M idas/civil．T he stress of U -girder was not uniformly distributed．And the stress safety reserve in the solid element model was less than that in the link model．By analyzing the stress characteristics of U -girder，the structural stress reserve is identified．T his analysis may be useful for the similar engineering design．

Key words:U -girder; Structure design; Stress reserve; Link model; Solid model

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0023-04

作者簡介:劉紅緒( 1980—)，男，工程師。

收稿日期:2015-06-09;修回日期: 2015-11-06

中圖分類號:U441+．5

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．05