王曉磊
(中鐵三局集團(tuán)廣東建設(shè)工程有限公司,廣東 廣州 510630)
U形梁薄壁開(kāi)口式結(jié)構(gòu),具有降噪效果好、外形美觀、空間利用率高、造價(jià)低等特點(diǎn),正在被廣泛采用[1-2]。我國(guó)的U形梁技術(shù)源自法國(guó),2003年廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)和2007年上海軌道交通8號(hào)線(xiàn)采用的都是法國(guó)技術(shù),2009年南京地鐵2號(hào)線(xiàn)[3]首次使用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)化U形梁技術(shù)。除上述線(xiàn)路外,重慶軌道交通1號(hào)線(xiàn)[4],江蘇城市軌道交通,上海軌道交通11號(hào)線(xiàn)[5]、11號(hào)迪士尼專(zhuān)線(xiàn)、16號(hào)線(xiàn),東莞軌道交通,青島藍(lán)色硅谷交通配套工程[6],南京至高淳城際快軌[7],鄭機(jī)城際線(xiàn)路均采用了U形梁技術(shù)。U型梁的設(shè)計(jì)使用還處于發(fā)展階段,目前對(duì)于先張法施工U型梁的研究較少,尤其缺乏與實(shí)際工程相結(jié)合的理論成果,而本研究所依托工程中,先張法U型梁被大量應(yīng)用,因此,在工程基礎(chǔ)上對(duì)先張法U型梁進(jìn)行研究具有重要的意義。
深圳市城市軌道交通6號(hào)線(xiàn)6102標(biāo)段位于廣東省深圳市光明新區(qū)和寶安區(qū),從光明中心站出站沿光明大道至北段設(shè)荔林站預(yù)留接駁東莞R1線(xiàn),再左拐進(jìn)入規(guī)劃的公園大道,上跨龍大高速公路及茅洲河進(jìn)入別墅大道,下穿紅花山公園及公明廣場(chǎng)拐向松白路,在合水口站之前出地面,過(guò)薯田埔站后拐入沙江路轉(zhuǎn)入地下,至終點(diǎn)松崗站與11號(hào)線(xiàn)換乘。全長(zhǎng)14.166 km,高架區(qū)間長(zhǎng)7.014 km。
所采用的U形梁長(zhǎng)度多為25~35 m七種梁型,長(zhǎng)度25~30 m的U形梁跨中高度1.9 m,梁端加厚段1 m范圍內(nèi)加高至2.02 m,梁頂寬5.42 m,內(nèi)寬4.02 m。斷面采用U形,曲線(xiàn)腹板,底板與腹板厚度均為280 mm,梁端加厚段底板厚400 mm。如圖1所示,先張法預(yù)應(yīng)力筋采用1×7-15.20 mm-1860 MPa高強(qiáng)度低松弛鋼絞線(xiàn),預(yù)應(yīng)力筋分別為84~100根,均分部在底板位置。
圖1 U型梁截面簡(jiǎn)圖
采用“單束初調(diào)、整體初拉、單束終拉”的張拉工藝,“雙控法”控制,即:“以應(yīng)力控制,伸長(zhǎng)量校核”。
單束初調(diào):鋼絞線(xiàn)通過(guò)錨具、連接器連接成一根受力桿件,根據(jù)預(yù)應(yīng)力計(jì)算書(shū)計(jì)算出預(yù)應(yīng)力終張拉力,再用小千斤頂多次、反復(fù)調(diào)整張拉到終張拉力的20%。
整體初拉:張拉設(shè)備確認(rèn)無(wú)誤后,在張拉端再進(jìn)行80%終張拉應(yīng)力整體張拉,持續(xù)保壓進(jìn)行張拉,最后用小千斤頂多次、反復(fù)調(diào)整至既定預(yù)應(yīng)力。
單束終拉:安裝預(yù)埋件及內(nèi)模后,在固定端單束張拉至100%設(shè)計(jì)應(yīng)力,持荷3 min,實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值,以減少鋼絲錨固后的應(yīng)力損失。補(bǔ)足或放松預(yù)應(yīng)力筋的拉力至控制應(yīng)力。張拉滿(mǎn)足要求后,錨固預(yù)應(yīng)力筋,千斤頂回油至零。
放張:先將底模上固定預(yù)埋件用的螺栓卸掉,為避免在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生瞬間荷載,鋼絞線(xiàn)放張連貫、均勻進(jìn)行。單端采用分級(jí)放張:10%→10%→20%→20%→20%→20%。
采用整體式制梁臺(tái)座進(jìn)行“長(zhǎng)線(xiàn)法”施工,按“一串二”方式進(jìn)行設(shè)計(jì),采用一個(gè)先張臺(tái)座串二片梁一起張拉的施工方法。根據(jù)地質(zhì)條件不同、地基處承載力不同,分別設(shè)計(jì)了樁承式整體制梁臺(tái)座與壓柱式整體制梁臺(tái)座。
樁承式整體制梁臺(tái)座基礎(chǔ)為直徑為120 cm鉆孔灌注樁,樁身采用C30混凝土,傳力墩、臺(tái)身采用C50混凝土,底模平臺(tái)采用C40混凝土,臺(tái)身下設(shè)C15混凝土墊層厚10 cm??紤]30 m U梁重為220 t,在預(yù)制階段臺(tái)座承受的鋼模重量即端模、底模及側(cè)模施加在臺(tái)座的重量約49 t。考慮梁重、鋼模重及所有施工荷載,臺(tái)座設(shè)計(jì)承載力按312 t計(jì)算。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)均為15 m,基礎(chǔ)橫向布置三排,間距3 m,縱向樁基間距不大于8 m。制梁臺(tái)座剖面圖見(jiàn)圖2。
圖2 樁承式制梁臺(tái)座剖面圖
壓柱式整體制梁臺(tái)座全長(zhǎng)85 m,寬8 m,按25-30 mU形梁長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。臺(tái)座基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ),采用C50混凝土,臺(tái)座張拉端頭擴(kuò)大基礎(chǔ)增加70 cm厚配重基礎(chǔ),配重基礎(chǔ)澆筑C25混凝土;傳力墩、壓柱與臺(tái)座基礎(chǔ)整體澆筑,采用C50混凝土;底模平臺(tái)采用C40混凝土,臺(tái)身下設(shè)C15混凝土墊層厚10 cm??紤]30 mU梁重為220 t,在預(yù)制階段臺(tái)座承受的鋼模重量即端模、底模及側(cè)模施加在臺(tái)座的重量約49 t??紤]梁重、鋼模重及所有施工荷載,臺(tái)座設(shè)計(jì)承載力按312 t計(jì)算。臺(tái)身端頭加厚段高230 cm,標(biāo)準(zhǔn)段高100 cm。制梁臺(tái)座剖面圖見(jiàn)圖3。
圖3 壓柱式制梁臺(tái)座剖面圖
采用張拉橫梁、智能張拉系統(tǒng),確保預(yù)應(yīng)力筋的同步張拉,結(jié)合放張后U型梁上拱值調(diào)整超張拉系數(shù),有效控制了單根預(yù)應(yīng)力筋的張拉力值。U形梁先張臺(tái)座設(shè)計(jì)如圖4所示。
圖4 先張臺(tái)座設(shè)計(jì)圖
鋼絞線(xiàn)通過(guò)工具錨錨固在活動(dòng)張拉橫梁上,采用同步張拉液壓系統(tǒng)帶動(dòng)4臺(tái)張拉千斤頂拉動(dòng)活動(dòng)張拉梁,達(dá)到張拉力后緊鎖拉缸螺母,然后澆筑混凝土,待強(qiáng)度達(dá)到后通過(guò)泵站對(duì)千斤頂進(jìn)行同步放張。
1)恒載。結(jié)構(gòu)自重:主梁采用C55混凝土,容重取26 kN/m3;二期恒載:包括軌道結(jié)構(gòu)(含鋼軌和承軌臺(tái))、吸聲板及強(qiáng)及弱點(diǎn)支架、聲屏障、橋面鋪裝層,合計(jì)恒載集度為48.8 kN/m;預(yù)加力:采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線(xiàn)Φs15.2的預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)[8],先張法計(jì)算;混凝土收縮徐變:按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[9]計(jì)算。
2)活載。列車(chē)豎向動(dòng)力作用:
(1)
取a=2,L為橋梁跨度,程序自動(dòng)計(jì)算。
離心力:
F=V2N/(127R)
(2)
式中,V為設(shè)計(jì)最高列車(chē)速度;N為列車(chē)豎向靜活載;R為曲線(xiàn)半徑。通過(guò)計(jì)算,離心力為196 kN。
列車(chē)橫向搖擺力:按相鄰兩節(jié)車(chē)四個(gè)軸軸重的15%計(jì)算。
3)附加力。制動(dòng)力或牽引力:按列車(chē)豎向靜活載的15%計(jì)算,當(dāng)與離心力同時(shí)計(jì)算時(shí),可按豎向靜活載的10%計(jì)算;溫度荷載:對(duì)于簡(jiǎn)支梁,整體升降溫不產(chǎn)生力的效應(yīng);梯度溫度按圖5模式計(jì)算。
圖5 梯度溫度計(jì)算模式
風(fēng)荷載:橋上有車(chē)和橋上無(wú)車(chē)兩種情況[10],有車(chē)時(shí)取1 469 Pa,無(wú)車(chē)時(shí)取1 175.2 Pa。
U型梁有限元模型如圖6所示。
圖6 U型梁有限元模型
以30 m U形梁為研究對(duì)象,橋梁長(zhǎng)29.9 m,計(jì)算跨度為29.0 m,采用Midas Civil進(jìn)行建模計(jì)算分析,全橋主梁共33個(gè)節(jié)點(diǎn),32個(gè)單元。
主要材料參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 混凝土材料參數(shù)[8]
主梁縱向預(yù)應(yīng)力采用公稱(chēng)直徑15.2 mm鋼絞線(xiàn),抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 860 MPa,彈性模量為195 000 MPa。鋼束張拉控制應(yīng)力按1 230 MPa計(jì)算。
1)主截面及斜截面強(qiáng)度。如表2所示,主梁正截面及斜截面的強(qiáng)度安全系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。
表2 主截面及斜截面強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果
2)運(yùn)營(yíng)荷載下正應(yīng)力見(jiàn)表3。
表3 主梁正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 單位:MPa
由表3可知,主力組合作用下,主梁上緣最大壓應(yīng)力為14.52 MPa,除支座至梁端處為0.39 MPa拉應(yīng)力外,均滿(mǎn)足要求;主梁下緣最大壓應(yīng)力為7.27 MPa,最小壓應(yīng)力為1.46 MPa,滿(mǎn)足要求。主加附組合作用下,主梁上緣最大壓應(yīng)力為14.52 MPa,梁端1.8 m范圍內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力,越靠近梁端拉應(yīng)力越大,最大拉應(yīng)力為1.77 MPa<0.7ft=2.31 MPa,所以梁端上翼緣的普通鋼筋需加強(qiáng);主梁下緣最大壓應(yīng)力為8.77 MPa,最小壓應(yīng)力為1.46 MPa,滿(mǎn)足要求。
3)預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)的最大應(yīng)力為1 114.5 MPa小于1 116 MPa,滿(mǎn)足要求。
4)最大剪應(yīng)力。主力作用下主梁最大剪應(yīng)力為2.65 MPa,主加附作用下主梁最大剪應(yīng)力為2.69 MPa,均小于6.29 MPa,滿(mǎn)足要求。
5)殘余徐變變形、撓度及梁端轉(zhuǎn)角見(jiàn)表4。
表4 殘余變形、撓度及梁端轉(zhuǎn)角計(jì)算結(jié)果
由表4可知,U型梁結(jié)構(gòu)的殘余徐變變形、撓度以及梁端轉(zhuǎn)角均滿(mǎn)足要求。
以深圳市城市軌道交通6號(hào)線(xiàn)高架段U形梁實(shí)體項(xiàng)目為依托,研究了先張法U形梁規(guī)?;a(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù),形成了“單束初調(diào)、整體初拉、單束終拉”的施工工藝,主要結(jié)論及建議如下。
1)先張法預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量大,單根預(yù)應(yīng)力筋張拉力值控制困難,采用智能張拉系統(tǒng)及張拉橫梁同步張拉,結(jié)合放張后U形梁上拱值調(diào)整超張拉系數(shù),能夠有效控制單根預(yù)應(yīng)力筋的張拉力值。
2)結(jié)構(gòu)的受壓穩(wěn)定性以及強(qiáng)度和變形都能滿(mǎn)足要求,所設(shè)計(jì)的U型梁結(jié)構(gòu)安全合理。
3)梁端1.8 m范圍內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力,越靠近梁端拉應(yīng)力越大,最大拉應(yīng)力為1.77 MPa,所以梁端上翼緣的普通鋼筋需加強(qiáng)。
4)整體壓柱式制梁臺(tái)座的應(yīng)用,克服了不同跨度梁型長(zhǎng)度調(diào)整的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了張拉系統(tǒng)在臺(tái)座外張拉作業(yè)。
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