岳章勝 蔣海軍 王利偉

(青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,266071,青島//第一作者,高級(jí)工程師)

1 工程概述

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

預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁是一種下承式橋梁結(jié)構(gòu)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(diǎn)[1]。青島地鐵8號(hào)線工程高架段標(biāo)準(zhǔn)梁采用混張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支U形梁，標(biāo)準(zhǔn)梁長32.7 m，線間距5.0 m。U形梁腹板為弧形設(shè)計(jì)，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(diǎn)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(jìn)行布置對比，并對長32.7 m U形梁進(jìn)行平面桿系計(jì)算和空間實(shí)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(jié)構(gòu)構(gòu)造對比

國內(nèi)鋼絞線的規(guī)格按結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)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(yīng)用的鋼絞線直徑仍較小。φ15.2 mm和φ17.8 mm鋼絞線結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)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(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 1×7鋼絞線結(jié)構(gòu)力學(xué)性能

從表2可以看出，φ15.2 mm鋼絞線與φ17.8 mm鋼絞線技術(shù)指標(biāo)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(yù)應(yīng)力體系進(jìn)行計(jì)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(huì)引起先張鋼束的預(yù)應(yīng)力損失，因此先張鋼束的有效應(yīng)力需扣除此部分預(yù)應(yīng)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(shí)鋼束間距太小，施工操作不便，青島地鐵8號(hào)線U形梁全部采用φ17.8 mm大直徑鋼絞線。底板及腹板布設(shè)3層預(yù)應(yīng)力筋。底板底至第1層預(yù)應(yīng)力筋中心線的距離為82 mm，第一層預(yù)應(yīng)力筋中心線至第二層預(yù)應(yīng)力筋中心線距離為75 mm，第二層預(yù)應(yīng)力筋中心線至第三層預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)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(gòu)件，抗扭剛度小，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，易在底板上出現(xiàn)“剪力滯”現(xiàn)象[5]。由于剪力滯效應(yīng)的存在，使得主梁的撓度和縱向正應(yīng)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(shí)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(jìn)行桿系和實(shí)體建模分析。三維實(shí)體模型及跨中截面縱向應(yīng)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(shí)體單元模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對比見表3。從表3中可以看出，傳統(tǒng)的平面桿系結(jié)構(gòu)已無法反映結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況。平面桿系模型計(jì)算的主力作用下截面下緣最小壓應(yīng)力為2.34 MPa，而實(shí)體單元模型計(jì)算的下緣最小壓應(yīng)力為 2.0 MPa，實(shí)體單元應(yīng)力安全儲(chǔ)備值要小于平面桿系模型計(jì)算結(jié)果，但均滿足TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

表3 U形梁縱向應(yīng)力計(jì)算結(jié)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(yīng)用先例，因此在青島地鐵8號(hào)線U形梁施工過程中，做了大量的試驗(yàn)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(xué)性能實(shí)測參數(shù)見表4[6]。

表4 φ 17.8 mm鋼絞線力學(xué)性能實(shí)測參數(shù)

檢測結(jié)果表明，φ17.8 mm鋼絞線的力學(xué)性能與常規(guī)φ15.2 mm鋼絞線基本相似，其力學(xué)性能滿足GB/T5224—2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》的各項(xiàng)指標(biāo)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(jìn)行了摩阻系數(shù)試驗(yàn)。鋼絞線孔道偏差系數(shù)及摩阻系數(shù)檢測報(bào)告見表5[7]。

檢測結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jí)張拉，φ17.8 mm大直徑鋼絞線初張力無實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)借鑒，施工前對φ17.8 mm大直徑鋼絞線進(jìn)行了初張力試驗(yàn)。鋼絞線初張力檢測結(jié)果為20%σcon[技術(shù)指標(biāo)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(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果

4.1 梁體剛度評定

U形梁架設(shè)前需進(jìn)行設(shè)計(jì)活載作用下的靜載試驗(yàn)。32.7 m長U形梁計(jì)算跨徑為31.4 m，跨中撓度計(jì)算值為9.8 mm。經(jīng)靜載試驗(yàn),其實(shí)測跨中撓度最大值為9.5 mm(測點(diǎn)1)和9.2 mm(測點(diǎn)2)[10]，與計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中的要求。

4.2 梁體抗裂性能評定

主梁縱向?yàn)槿A(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，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(jié)語

青島地鐵8號(hào)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(yīng)用。它在不增大結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，能提高預(yù)應(yīng)力筋的使用效率，增大鋼絞線間距，拓寬了U形梁的應(yīng)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(yīng)用價(jià)值，也可為其它市政工程所借鑒。