軌道交通混張法預(yù)制U型梁力學(xué)性能研究

楊一才 宋郁民 萬淑敏 王成波 張啟研

（1.青島地鐵八號線有限公司, 山東 青島 266100；2.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海 201620；3.青島市市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，山東 青島 266100）

0 引言

軌道交通U 型梁作為一種新型的槽型梁，不但具有槽型梁的受力性能，而且以其獨(dú)有的隔音降噪效果好、與周圍建筑物和自然環(huán)境的匹配度高、節(jié)約建材和運(yùn)營成本、斷面空間利用率高、安全防護(hù)性高等優(yōu)點(diǎn)[1-6]，在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用[7-9]。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對混張法預(yù)制T 型梁和箱型梁開展了部分研究，但是并未對混張法預(yù)制U 型梁的力學(xué)性能進(jìn)行深入和系統(tǒng)的研究。本文以國內(nèi)首次采用混張法預(yù)制U 型梁的青島地鐵8號線為工程背景，對混張法預(yù)制U型梁的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 工程概況

青島地鐵8號線全線長約61.4km，共設(shè)車站18座。其中膠東機(jī)場站~膠東鎮(zhèn)站區(qū)間的高架橋全部采用U型梁，其中32.7m預(yù)制U型梁是采用先后張混張工藝的預(yù)應(yīng)力混凝土單線U型梁。

單線U 型梁結(jié)構(gòu)頂寬5.42m，開口寬3.7m，跨中截面梁高1.9m，底板厚為0.26m，支點(diǎn)截面梁高2.04m，底板厚0.4m，梁端到支座中心線0.6m；外側(cè)腹板采用弧形，內(nèi)腹板采用斜腹板，跨中腹板厚0.28m，端支點(diǎn)腹板厚度0.3m。32.7m 混張法預(yù)制U 型梁支點(diǎn)截面和跨中截面如圖1和圖2所示。

圖1 跨徑32.7m混張法預(yù)制U型梁支點(diǎn)截面圖

圖2 跨徑32.7m混張法預(yù)制U型梁跨中截面圖

2 有限元分析模型建立

混張、先張、后張法預(yù)制的3種預(yù)制U 型梁預(yù)應(yīng)力鋼筋布置情況見表1。

表1 U型梁鋼束信息

依據(jù)3 種預(yù)制U 型梁的預(yù)應(yīng)力鋼束位置和張拉控制應(yīng)力情況，利用大型實體分析軟件Midas FEA 建立實體單元模型，對3種U型梁進(jìn)行力學(xué)性能對比分析。

3 混張、先張、后張法U型梁力學(xué)性能對比分析

3.1 跨中彎矩列車最不利加載受力分析

依據(jù)簡支梁的跨中彎矩影響線，將列車活載按照最不利加載位置布置，同時考慮二期恒載的作用，完全模擬預(yù)制U型梁在實際運(yùn)營狀況下的受力情況，對3種U型梁進(jìn)行力學(xué)性能對比分析。

3.1.1 底板底面應(yīng)力分析

3種預(yù)制U型梁在自重、預(yù)應(yīng)力荷載、二期恒載和最不利列車活載作用下，其底板底面的縱向應(yīng)力如圖3～圖5所示。

圖3 混張法預(yù)制U梁縱向應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖4 先張法預(yù)制U型梁縱向應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖5 后張法預(yù)制U型梁縱向應(yīng)力圖（單位：MPa）

提取3種U型梁支點(diǎn)、1/8跨徑、1/4跨徑、3/8跨徑、跨中、5/8跨徑、3/4跨徑、7/8跨徑截面處的縱向應(yīng)力值，見表2所示。對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：

表2 U型梁縱向應(yīng)力值和位移值

（1）混張、先張、后張法預(yù)制U型梁底板底面的最小縱向壓應(yīng)力均出現(xiàn)在跨中截面處，大小分別為-5.37MPa、-5.55MPa、-5.35MPa。3種預(yù)制U型梁的縱向壓應(yīng)力由跨中截面向支點(diǎn)截面逐漸增大。

（2）計算跨徑同為31.4m的3種預(yù)制U型梁，先張法預(yù)制U型梁底板底面各截面的縱向壓應(yīng)力均大于其他2種預(yù)制U型梁對應(yīng)截面的縱向壓應(yīng)力。3種預(yù)制U型梁各截面處底板底面的縱向應(yīng)力較接近。

3.1.2 豎向位移分析

3種預(yù)制U型梁在自重、預(yù)應(yīng)力荷載、二期恒載和最不利列車活載作用下，提取3種U型梁支點(diǎn)、1/8跨徑、1/4跨徑、3/8跨徑、跨中、5/8跨徑、3/4跨徑、7/8跨徑截面處的位移值，見表2所示。對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：

表3 U型梁不同截面處的剪應(yīng)力值和位移值（單位：MPa）

（1）混張、先張、后張法預(yù)制U型梁最大豎向向下位移均出現(xiàn)在跨中截面處，大小分別為-5.20mm、-4.92mm、-5.58mm。3 種預(yù)制U 型梁位移值由跨中向支點(diǎn)逐漸減小為0。

（2）計算跨徑同為31.4m的3種預(yù)制U型梁，先張法預(yù)制U型梁各截面的豎向向下位移值均小于其他2種預(yù)制U型梁對應(yīng)截面的豎向位移值。在計算跨徑范圍內(nèi)，3種預(yù)制U型梁各截面的豎向位移值非常接近。

3.2 支點(diǎn)剪力列車最不利加載受力分析

依據(jù)簡支梁的支點(diǎn)剪力影響線，將列車活載按照最不利加載位置布置，同時考慮二期恒載的作用，完全模擬預(yù)制U 型梁在實際運(yùn)營狀況下的受力情況，對3種U型梁進(jìn)行力學(xué)性能對比分析。

3.2.1 剪應(yīng)力分析

3種預(yù)制U型梁在自重、預(yù)應(yīng)力荷載、二期恒載和最不利列車活載作用下，其各截面的剪應(yīng)力如圖6~圖8所示。

圖6 混張法預(yù)制U型梁剪應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖7 先張法預(yù)制U型梁剪應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖8 后張法預(yù)制U型梁剪應(yīng)力圖（單位：MPa）

提取3 種U 型梁支點(diǎn)、1/8 跨徑、1/4 跨徑、3/8 跨徑、跨中、5/8跨徑、3/4跨徑、7/8跨徑截面處的剪應(yīng)力值，見表3。對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：

（1）混張、先張、后張法預(yù)制U 型梁的最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在支點(diǎn)截面處，大小分別為1.58MPa、1.55MPa、1.11MPa。剪應(yīng)力由支點(diǎn)截面向跨中截面逐漸減小為0。

（2）計算跨徑同為31.4m 的3 種預(yù)制U 型梁，先張法預(yù)制U 型梁各截面的剪應(yīng)力均大于其他2 種預(yù)制U型梁對應(yīng)截面的剪應(yīng)力?；鞆埛A(yù)制U 型梁的剪應(yīng)力介于先張法預(yù)制U 型梁和后張法預(yù)制U 型梁之間。在1/4跨~3/4跨范圍內(nèi)，3種U型梁剪應(yīng)力非常接近。

3.2.2 豎向位移分析

3 種預(yù)制U 型梁在自重、預(yù)應(yīng)力荷載、二期恒載和最不利列車活載作用下，提取3 種U 型梁支點(diǎn)、1/8 跨徑、1/4跨徑、3/8跨徑、跨中、5/8跨徑、3/4跨徑、7/8跨徑截面處的位移值，見表3。對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：

（1）3種預(yù)制U 型梁最大豎向向下位移均出現(xiàn)在跨中截面處，大小分別為-4.87mm、-4.60mm、-5.25mm。3種預(yù)制U型梁位移值由跨中向支點(diǎn)逐漸減小為0。

（2）計算跨徑同為31.4m的3種預(yù)制U型梁，先張法預(yù)制U型梁各截面的豎向向下位移值均小于其他2種預(yù)制U型梁對應(yīng)截面的豎向位移值。計算跨徑內(nèi)，后張法預(yù)制U型梁的豎向位移值均大于混張法預(yù)制U型梁位移值。先張法預(yù)制U型梁和后張法預(yù)制U型梁在跨中截面處出現(xiàn)最大豎向向下位移值差值，為0.38mm。

4 結(jié)束語

（1）在跨中彎矩列車最不利荷載作用或支點(diǎn)剪力列車最不利荷載作用下，混張法預(yù)制U 型梁各截面應(yīng)力值與先張法預(yù)制U 型梁各截面應(yīng)力值非常接近，并優(yōu)于后張法預(yù)制U 型梁各截面應(yīng)力值。表明在實際運(yùn)營荷載作用下，混張法預(yù)制U型梁的強(qiáng)度較高。

（2）在跨中彎矩列車最不利荷載作用或支點(diǎn)剪力列車最不利荷載作用下，混張法預(yù)制U 型梁各截面位移值與先張法預(yù)制U 型梁各截面位移值非常接近，并小于后張法預(yù)制U 型梁各截面應(yīng)力值。表明在實際運(yùn)營荷載作用下，混張法預(yù)制U型梁的剛度較大。

（3）在支點(diǎn)剪力列車最不利荷載作用下，混張法預(yù)制U 型梁各截面剪應(yīng)力與后張法預(yù)制U 型梁各截面剪應(yīng)力非常接近，小于先張法預(yù)制U 型梁的剪應(yīng)力，表明混張法預(yù)制U 型梁中彎起的后張鋼絞線能夠起到很好的抗剪作用。