張煜

摘要 輕軌高架站中的預(yù)應(yīng)力蓋梁是重要受力構(gòu)件，其存在雙向長(zhǎng)懸挑、承受輕軌動(dòng)載且承受恒載較大等特點(diǎn)。為優(yōu)選預(yù)應(yīng)力蓋梁配筋中預(yù)應(yīng)力筋與非預(yù)應(yīng)力筋的比例，采用了基于預(yù)應(yīng)力度的預(yù)應(yīng)力蓋梁設(shè)計(jì)方法。為研究預(yù)應(yīng)力度的合理取值問(wèn)題，首先利用sap2000有限元軟件對(duì)輕軌站動(dòng)力特性進(jìn)行分析，得出輕軌站的固有頻率。其次，利用ansys軟件對(duì)蓋梁進(jìn)行了精細(xì)化有限元分析，并對(duì)蓋梁動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算和有限元分析結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力度選取時(shí)預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度比可取為0.65，基于預(yù)應(yīng)力度的部分預(yù)應(yīng)力蓋梁配筋設(shè)計(jì)方法可以較好地解決預(yù)應(yīng)力筋與非預(yù)應(yīng)力筋的比例問(wèn)題。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，測(cè)試獲取的蓋梁主受力筋應(yīng)力、應(yīng)變與有限元仿真結(jié)果相差較小。

關(guān)鍵詞 預(yù)應(yīng)力度;部分預(yù)應(yīng)力;輕軌高架站;雙懸挑

中圖分類號(hào) TU12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）05-0163-04

0 引言

輕軌作為電力驅(qū)動(dòng)交通工具，在需要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的背景下，是一種可疏解城市交通壓力且無(wú)污染的環(huán)保交通工具，因而得以迅猛發(fā)展[1]。輕軌高架車站是以現(xiàn)澆軌道梁、站臺(tái)梁組成的現(xiàn)澆式結(jié)構(gòu)體系，該類結(jié)構(gòu)總施工周期長(zhǎng)，斷交給城市帶來(lái)較大通行壓力，且對(duì)周邊環(huán)境影響較大[2]。采用裝配式結(jié)構(gòu)體系，可以較好地解決上述問(wèn)題。

張廣海[3]分析了裝配式技術(shù)在中小運(yùn)量軌道交通土建結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可行性和優(yōu)越性。黃長(zhǎng)木[4]以建橋結(jié)合高架車站工程為例，探討了預(yù)制裝配技術(shù)在高架車站中應(yīng)用的可行性，提出預(yù)制蓋梁與縱向框架梁三種剛性連接節(jié)點(diǎn)。李松柏[5]介紹了一種新的由單排樹(shù)形大懸臂墩柱支承的橋建合建結(jié)構(gòu)體系。張文斌[6]針對(duì)某高架車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，對(duì)車站獨(dú)柱大懸臂橋墩結(jié)構(gòu)的車站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)控制關(guān)鍵進(jìn)行了研究。

針對(duì)裝配式高架車站的關(guān)鍵構(gòu)件長(zhǎng)懸挑蓋梁受列車動(dòng)載且承受恒載較大，為減小構(gòu)件截面、控制裂縫，挑梁采用了部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)預(yù)制梁與蓋梁連接的可靠性問(wèn)題，融合“房”“橋”兩專業(yè)的規(guī)范，并結(jié)合運(yùn)營(yíng)期的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證計(jì)算的科學(xué)性，通過(guò)建立sap2000及ansys分析模型，對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，總結(jié)該類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)該類結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為相似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作提供實(shí)踐依據(jù)。

1 工程概況

某地鐵高架車站主體結(jié)構(gòu)地上三層：地面層、站廳層和承軌層，標(biāo)高分別為0 m、6.250 m和13.5 m;縱向標(biāo)準(zhǔn)墩距為12 m，縱、橫向長(zhǎng)分別142.8 m、23 m，橋墩間距為7 m，兩端懸挑部分長(zhǎng)為8 m;采用鋼結(jié)構(gòu)雨棚?？拐鹪O(shè)防烈度為7度（0.1 g）。上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆墩柱蓋梁+站臺(tái)梁其他預(yù)制結(jié)構(gòu)。蓋梁呈半口型且兩端懸挑。主體結(jié)構(gòu)材料，柱：C50，梁、板：C35，預(yù)應(yīng)力梁：C50;軌道梁采用C40;主受力筋HRB400。

車站結(jié)構(gòu)采用“房橋合一”體系，該結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)需要將橋梁及房建相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求相融合，采用特定體系條件下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防類別為乙類，車站主體結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為二級(jí)。

2 結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性

2.1 周期及振型

利用sap2000對(duì)車站進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計(jì)算，見(jiàn)圖1，應(yīng)用MIDAS進(jìn)行校核，并采用ansys軟件對(duì)蓋梁進(jìn)行精細(xì)化分析。

車站結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析包括200個(gè)模態(tài)。前3種振型在X方向上提供了95%的組合模態(tài)質(zhì)量參與，前5種振型在Y方向上提供了94%的組合模態(tài)質(zhì)量參與。前5個(gè)模態(tài)的周期、頻率見(jiàn)表1。

2.2 模態(tài)結(jié)果分析

由表1及圖2～3可看出，車站受下部結(jié)構(gòu)長(zhǎng)懸臂的影響，其整體橫向剛度弱于整體縱向剛度和抗扭剛度。

3 基于預(yù)應(yīng)力度的懸挑梁設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)應(yīng)力度

預(yù)應(yīng)力度定義可分別根據(jù)荷載的彎矩比、混凝土的應(yīng)力比及預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度比定義。該文根據(jù)混凝土的應(yīng)力比定義，受彎構(gòu)件預(yù)應(yīng)力度λ可表示為：

λ=σc/σ （1）

式中：σ、σc為構(gòu)件控制截面受拉邊緣的應(yīng)力（N/mm2），部分預(yù)應(yīng)力混凝土1>λ>0，荷載組合分別為運(yùn)營(yíng)荷載（不包括預(yù)加力），荷載組合為預(yù)加力（扣除全部預(yù)應(yīng)力損失）。

3.2 蓋梁受力計(jì)算

考慮施工順序，采用sap2000進(jìn)計(jì)算得到懸挑梁KL-GD-2根部最大彎矩為4 967 kN·m，KL-GD-1最大彎矩值為300 5 kN·m;最大裂縫寬度為0.29 mm。裂縫寬度不滿足0.2 mm的限值要求。在建筑凈空與軌頂標(biāo)高雙重條件限制下，KL-GD-1、2梁截面計(jì)算結(jié)果如表2所示，懸挑梁的截面高度已經(jīng)做到極限，已經(jīng)沒(méi)有加高的空間，所以考慮對(duì)懸挑梁施加預(yù)應(yīng)力來(lái)解決裂縫問(wèn)題。

3.3 基于預(yù)應(yīng)力度的部分預(yù)應(yīng)力蓋梁設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力鋼束標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度、抗拉計(jì)算強(qiáng)度、張拉控制應(yīng)力分別為1 860 MPa、1 674 MPa、1 395 MPa，彈性模量為195 000 MPa。

針對(duì)KL-GD-2，采用規(guī)范[7]進(jìn)行計(jì)算，受拉區(qū)配置了48根直徑28 mm普通鋼筋A(yù)s=29 556 m2;截面受壓區(qū)配置了32根直徑28 mm普通鋼筋A(yù)s’=19 704 mm2;單束鋼絞線面積為980 mm2。

經(jīng)計(jì)算，鋼束的預(yù)應(yīng)力總損失為316.83 MPa，截面安全、預(yù)加應(yīng)力錨固階段檢算均滿足要求。

不允許構(gòu)件開(kāi)裂，運(yùn)營(yíng)期間混凝土壓應(yīng)力限值要求：

?3.475 MPa<0.5fc<16.75 MPa

fc：混凝土抗拉極限強(qiáng)度（MPa）。

運(yùn)營(yíng)期間混凝土拉應(yīng)力限值要求，出現(xiàn)拉應(yīng)力，但沒(méi)有開(kāi)裂。

1.375 MPa<0.7fct<2.1 MPa

fct：混凝土抗拉計(jì)算強(qiáng)度（MPa）。

運(yùn)營(yíng)期間預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力限值要求：

1 094.3 MPa<0.6fpk<111 6MPa

fpk：抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

3.4 實(shí)體有限元分析

采用ANSYS軟件構(gòu)建實(shí)體有限元分析模型，其中，混凝土：SOLID95單元，鋼筋：LINK8單元，兩類單元節(jié)點(diǎn)耦合，預(yù)應(yīng)力通過(guò)初應(yīng)變施加，最后施加邊界條件和荷載，分考慮預(yù)應(yīng)力損失和不考慮預(yù)應(yīng)力損失兩種情況，分析求解。

3.4.1 應(yīng)力結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如圖4所示。圖中，RLD表示不考慮預(yù)應(yīng)力損失，RD表示考慮預(yù)應(yīng)力損失。

3.4.2 變形結(jié)果

豎向位移如圖5所示。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

4.1 試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)點(diǎn)布置

分別針對(duì)梁KL-GD-1、梁KL-GD-2選梁與柱相交的兩側(cè)根部截面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在截面內(nèi)的上中下部埋設(shè)埋入式混凝土應(yīng)變計(jì)，其量程為±1 500με，靈敏度為1με，帶有溫度修整功能，如圖6。預(yù)應(yīng)力筋在根部截面的應(yīng)力情況，可以通過(guò)混凝土的壓應(yīng)力情況間接計(jì)算得到。采用東方所的INV3060S型24位動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀，見(jiàn)圖7?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)該站軌道層預(yù)應(yīng)力挑梁的應(yīng)力、應(yīng)變變化狀況。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)3次，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，截面應(yīng)變沿高度方向的分布符合平截面假定，混凝土應(yīng)力沿高度方向的分布見(jiàn)圖8～9。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知：營(yíng)運(yùn)前后，懸挑梁KL-GL-1、KL-GL-2根部截面沿高度方向均為壓應(yīng)變，均為全截面受壓，壓應(yīng)變由梁底部向梁頂增大，最大壓應(yīng)變分別小于300με、350με，相應(yīng)的混凝土壓應(yīng)力分別小于10.4 MPa、12.0 MPa，滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。

4.3 理論計(jì)算與檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

為研究有效預(yù)應(yīng)力大小，以及預(yù)應(yīng)力損失對(duì)懸挑梁受力的影響，將不同有效預(yù)應(yīng)力下的截面應(yīng)變沿高度方向的計(jì)算值與檢測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示，分析知越靠近截面底部，應(yīng)變對(duì)預(yù)應(yīng)力的敏感性越低，預(yù)應(yīng)力損失為317 MPa，即有效預(yù)應(yīng)力為1 078 MPa時(shí)，截面中部以上的計(jì)算值和測(cè)試值基本接近，因此，該懸挑梁的預(yù)應(yīng)力損失值應(yīng)大致為317 MPa，損失率約為23%，進(jìn)一步驗(yàn)證了前面預(yù)應(yīng)力損失值計(jì)算結(jié)果的正確性。

5 結(jié)論

（1）承載列車動(dòng)載的長(zhǎng)懸挑構(gòu)件采用部分預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)，可有效解決該車站建筑功能、道路限高、軌頂限高等問(wèn)題。

（2）長(zhǎng)懸挑部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在承受列車動(dòng)荷載情況下，兼顧了“房”“橋”兩專業(yè)規(guī)范，保證了鐵路規(guī)范的強(qiáng)度、裂縫等指標(biāo)的要求。

（3）監(jiān)測(cè)結(jié)果表明懸挑梁根部截面沿高度方向均為壓應(yīng)變，為全截面受壓，且壓應(yīng)變由梁底部向梁頂增大。

（4）長(zhǎng)懸挑部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失值約23%，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相符。

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