大直徑鋼絞線在城市軌道交通工程中的應用

岳章勝 蔣海軍 王利偉

(青島市市政工程設計研究院有限責任公司,266071,青島//第一作者,高級工程師)

1 工程概述

青島地鐵8號線工程作為青島市青島北站、紅島站、膠東國際機場三大綜合交通樞紐的集散線，全長60.8 km,最高運行速度120 km/h。其高架段長約6.5 km，與濟青高鐵并行，間距約25 m。濟青高鐵采用長32.7 m的標準簡支箱梁，青島地鐵8號線高架段與濟青高鐵對孔布置，采用長32.7 m的標準U形梁。

預應力混凝土U形梁是一種下承式橋梁結構形式，與箱梁、T梁、板梁相比，U形梁具有有效建筑高度低、外形美觀,以及能阻止車輛出軌及傾覆下落等優(yōu)點[1]。青島地鐵8號線工程高架段標準梁采用混張法預應力混凝土簡支U形梁，標準梁長32.7 m，線間距5.0 m。U形梁腹板為弧形設計，支座中心線距梁端0.6 m。梁端1.2 m為U形梁底板加厚區(qū);梁高由1.90 m增至2.04 m，漸變段長0.42 m;跨中內(nèi)外腹板厚均為0.28 m，支點處內(nèi)外腹板厚均為0.30 m，底板厚0.26 m，梁端底板加厚至0.40 m;梁的上口寬5.42 m，下寬3.98 m(梁端底板加厚區(qū)底寬4.52 m)，外腹板頂寬1.00 m，內(nèi)腹板頂寬0.72 m;線路中心線偏向內(nèi)腹板側(cè)，與底板中心線偏心0.14 m。梁端橫截面見圖1?？缰袡M截面見圖2。

圖1 梁端橫斷面圖

本文通過對U形梁橫截面采用φ15.2 mm鋼絞線和φ17.8 mm大直徑鋼絞線進行布置對比，并對長32.7 m U形梁進行平面桿系計算和空間實體模型分析，最終采用φ17.8 mm大直徑鋼絞線混張法的施工工藝。

2 U形梁鋼絞線結構構造對比

國內(nèi)鋼絞線的規(guī)格按結構分主要有1×2、1×3、1×7、1×19四種[2]，即2根、3根、7根、19根鋼絲捻制的鋼絞線。目前國內(nèi)基本上采用φ15.2 mm(1×7)鋼絞線，大直徑鋼絞線僅在采礦行業(yè)少量采用[3]。GB/T 5224—2014《預應力混凝土用鋼絞線》中雖然加入了φ17.8 mm的鋼絞線，但目前國內(nèi)工程中通常應用的鋼絞線直徑仍較小。φ15.2 mm和φ17.8 mm鋼絞線結構參數(shù)和力學性能對比分別見表1和表2。

圖2 跨中橫斷面圖

表1 1×7鋼絞線結構參數(shù)

表2 1×7鋼絞線結構力學性能

從表2可以看出，φ15.2 mm鋼絞線與φ17.8 mm鋼絞線技術指標要求基本相同。由于U形梁截面寬度較窄，先張鋼絞線需避讓泄水孔、吊裝孔、抗震擋塊錨栓，因此鋼絞線布置寬度十分有限。U形梁縱向按照全預應力體系進行計算[4]。32.7 m長U形梁采用混張法施工工藝。由于后張鋼束張拉會引起先張鋼束的預應力損失，因此先張鋼束的有效應力需扣除此部分預應力損失。若采用φ17.8 mm大直徑鋼絞線，共需88根;其中U形梁腹板采用2束4股后張鋼絞線，底板采用80根先張鋼絞線，底板跨中鋼束最小間距85 mm。若采用φ15.2 mm鋼絞線，其中U形梁腹板需采用2束6股后張鋼絞線，底板需采用110根先張鋼絞線，底板跨中鋼束最小間距55 mm?？紤]到采用φ15.2 mm鋼絞線時鋼束間距太小，施工操作不便，青島地鐵8號線U形梁全部采用φ17.8 mm大直徑鋼絞線。底板及腹板布設3層預應力筋。底板底至第1層預應力筋中心線的距離為82 mm，第一層預應力筋中心線至第二層預應力筋中心線距離為75 mm，第二層預應力筋中心線至第三層預應力筋中心線的距離為75 mm。后張腹板鋼束采用2束4股φ17.8 mm鋼絞線。其中28束為通長束，28束兩側(cè)梁端失效長度為2.4 m，26束兩側(cè)梁端失效長度為5.0 m。預應力鋼束布置如圖3、圖4所示。

尺寸單位：mm

圖3φ17.8 mm鋼絞線跨中橫斷面布置圖

尺寸單位：mm

圖4φ17.8 mm鋼絞線端部橫斷面布置圖

采用φ17.8 mm大直徑鋼絞線預制的U形梁端部鋼束間距較大，便于鋼筋綁扎和鋼束施工，端部開槽處施工質(zhì)量容易控制。

城市軌道交通U 形梁的受力為薄壁開口構件，抗扭剛度小，結構受力復雜，易在底板上出現(xiàn)“剪力滯”現(xiàn)象[5]。由于剪力滯效應的存在，使得主梁的撓度和縱向正應力在同一截面上分布不均勻，平面桿系模型無法反映力在橫向的具體分布，需要建立實體單元模型來分析其空間受力情況。通過采用BSAS和MIDAS橋梁分析軟件分別進行桿系和實體建模分析。三維實體模型及跨中截面縱向應力云圖如圖5～8所示。

單位:MPa

單位:MPa

單位:MPa

單位:MPa

平面桿系和空間實體單元模型應力計算結果對比見表3。從表3中可以看出，傳統(tǒng)的平面桿系結構已無法反映結構應力分布情況。平面桿系模型計算的主力作用下截面下緣最小壓應力為2.34 MPa，而實體單元模型計算的下緣最小壓應力為 2.0 MPa，實體單元應力安全儲備值要小于平面桿系模型計算結果，但均滿足TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》要求。

表3 U形梁縱向應力計算結果

3 φ 17.8 mm鋼絞線工程參數(shù)

由于目前國內(nèi)無φ17.8 mm大直徑鋼絞線應用先例，因此在青島地鐵8號線U形梁施工過程中，做了大量的試驗工作，積累了φ17.8 mm大直徑鋼絞線的第一手資料。φ17.8 mm鋼絞線力學性能實測參數(shù)見表4[6]。

表4 φ 17.8 mm鋼絞線力學性能實測參數(shù)

檢測結果表明，φ17.8 mm鋼絞線的力學性能與常規(guī)φ15.2 mm鋼絞線基本相似，其力學性能滿足GB/T5224—2014《預應力混凝土用鋼絞線》的各項指標要求。

腹板束采用4股φ17.8 mm后張鋼絞線，施工前對φ17.8 mm大直徑鋼絞線進行了摩阻系數(shù)試驗。鋼絞線孔道偏差系數(shù)及摩阻系數(shù)檢測報告見表5[7]。

檢測結果表明，φ17.8 mm大直徑鋼絞線孔道偏差系數(shù)以及錨口、喇叭口的損失率與φ15.2 mm直徑鋼絞線相差不大，均在規(guī)定的范圍內(nèi)。φ17.8 mm大直徑鋼絞線孔道摩阻系數(shù)比常規(guī)鋼絞線大，與波紋管間的孔道摩阻系數(shù)大于TB10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》規(guī)定的限值，可能是由于直徑大的鋼絞線周長較長以及與管道接觸面積大的原因。

表5 φ 17.8 mm鋼絞線鋼束與波紋管間孔道摩阻系數(shù)參數(shù)表

由于鋼絞線需要分級張拉，φ17.8 mm大直徑鋼絞線初張力無實際工程經(jīng)驗借鑒，施工前對φ17.8 mm大直徑鋼絞線進行了初張力試驗。鋼絞線初張力檢測結果為20%σcon[技術指標為(10%～25%)σcon][8]。常規(guī)φ15.2 mm鋼絞線初張力一般為(10%～15%)σcon[9]。試驗結果表明，φ17.8 mm大直徑鋼絞線初張力合理值為20%σcon，較φ15.2 mm鋼絞線略大。

4 U形梁靜載試驗結果

4.1 梁體剛度評定

U形梁架設前需進行設計活載作用下的靜載試驗。32.7 m長U形梁計算跨徑為31.4 m，跨中撓度計算值為9.8 mm。經(jīng)靜載試驗,其實測跨中撓度最大值為9.5 mm(測點1)和9.2 mm(測點2)[10]，與計算值吻合良好;其撓跨比為1/3 305<1/2 000，滿足GB 5015—2013《地鐵設計規(guī)范》[11]中的要求。

4.2 梁體抗裂性能評定

主梁縱向為全預應力混凝土結構，在底板下緣、倒角及圓弧過渡段，均未發(fā)現(xiàn)因縱向彎曲而形成的橫向裂縫和道床板橫向彎曲而形成的縱向裂縫。主梁的縱向彎曲抗裂性能合格，道床板的橫向彎曲抗裂性合格。

5 結語

青島地鐵8號線是φ17.8 mm大直徑鋼絞線在國內(nèi)市政工程及城市軌道交通工程中的首次應用。它在不增大結構尺寸的前提下，能提高預應力筋的使用效率，增大鋼絞線間距，拓寬了U形梁的應用范圍。φ17.8 mm大直徑鋼絞線在大跨度先張法U形梁中具有廣泛的推廣及應用價值，也可為其它市政工程所借鑒。