青島藍色硅谷城際軌道交通U形梁的設計

劉紅緒

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安　710043)

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青島藍色硅谷城際軌道交通U形梁的設計

劉紅緒

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

摘要:U形梁作為一種開口殼體結構，其空間受力特性復雜，本文結合青島藍色硅谷城際軌道交通高架區間U形梁的特點，采用BSAS軟件和Midas/Civil分別建立平面桿系模型和空間三維實體單元模型進行分析對比，結果顯示，U形梁截面應力表現為不均勻性，實體單元應力安全儲備值小于平面桿系模型。通過分析比較U形梁的受力特征，確認了結構的應力儲備，對類似工程設計具有一定的借鑒意義。

關鍵詞:U形梁結構設計應力儲備桿系模型實體模型

1　工程概況

青島藍色硅谷軌道交通工程起點為苗嶺路和深圳路交口處，沿苗嶺路、濱海大道、領海路、皋虞河向北，終點為即墨市大橋鹽場，全長58. 44 km。其中高架段長約47 km，占線路總長的80%，線路預留經田橫鎮延伸至海陽市的條件。沿線自然環境優美，規劃為海洋科技創新及成果孵化帶，對環境和景觀要求高，建設工期短。高架區間確定采用的橋式結構，要求運架方式較為靈活，受車站及節點橋施工干擾小，降噪效果好，結構簡潔、美觀，最終選用單線簡支U形梁并置(小U形梁)方案［1］。

2　主要技術標準

1)設計使用年限:主體結構為100年。

2)線路最小曲線半徑: 450 m。

3)最大線路縱坡: 29‰。

4)線間距:直線段5. 0 m;曲線段分5. 0 m及5. 1 m兩種。

5)車輛型號: B型車，4輛編組，最高行車速度120 km/h。

6)區間供電方式采用接觸軌授流。

7)地震烈度:抗震設防烈度為6度，地震動峰值加速度值為0. 05g。

3　結構構造

高架橋采用整孔預制預應力混凝土簡支U形梁，標準跨度30 m，梁型分5. 0 m線間距直線段、5. 0 m線間距曲線段和5. 1 m線間距曲線段3種。U形梁外觀整體呈U字形，為開口薄壁結構，腹板為弧形設計，支座中心距梁端0. 6 m，梁端1. 2 m為U形梁底板加厚區，梁高由1. 8 m增至1. 94 m，漸變段長0. 42 m。內外腹板厚分別為0. 260和0. 265 m，底板厚0. 26 m，梁端底板加厚至0. 4 m。

選擇二期恒載大、截面寬的5. 1 m線間距曲線段U形梁計算，其上寬5. 52，下寬4. 18 m(梁端底板加厚區底寬4. 78 m)，外腹板頂寬1. 0 m，內腹板頂寬0. 57 m，線路中心線偏向內腹板側，與底板中心線偏心0. 115 m。跨中與梁端截面分別如圖1和圖2所示。

圖1跨中截面(單位: mm)

圖2梁端截面(單位: mm)

4　結構分析

4. 1設計荷載

1)恒載

自重:預應力混凝土重度取26. 5 kN/m3。

橋面附屬設施二期恒載集度采用32 kN/m。

支座安裝及架梁時，相鄰兩支點不均勻沉降Δ= 10 mm。

2)活載

青島藍色硅谷軌道交通工程列車設計荷載圖式如圖3。地鐵車輛豎向荷載應按其實際軸重和排列計算，其動力系數取1 +μ，μ按現行《鐵路橋涵設計基本規范》規定的計算值乘以0. 8［2］，即30 m U形梁活載動力系數取值為1. 178。

3)附加力

風力:工點范圍內百年一遇按風速50 m/s計算。基本風壓800 Pa。

溫度變化影響力: U形梁溫度荷載模式考慮整體升溫25℃，降溫－30℃;考慮外側腹板局部升溫5℃;不均勻升溫按腹板頂至底板由8℃線性變化至4℃考慮［3］。

4. 2 U形梁平面桿系計算

采用全預應力理論設計。鋼絞線采用符合GB 5224標準的φs15. 2 mm低松弛鋼絞線，抗拉強度標準值fpk= 1 860 MPa，彈性模量Ep= 1. 95× 105MPa。

U形梁底板束采用8根10φs15. 2 mm、腹板束采用2根7φs15. 2 mm低松弛鋼絞線，錨具分別采用M15-10和M15-7，金屬波紋管內徑分別為90 mm和70 mm。底板及腹板預應力筋中心線到底板底的距離分別為120 mm和115 mm。其預應力鋼束布置如圖4、圖5所示。

圖3列車設計荷載加載圖式(長度單位: mm)

圖4 1 /2跨鋼束立面布置(單位: mm)

圖5跨中截面預應力筋布置(單位: mm)

平面桿系主要計算結果見表1。

4. 3 U形梁空間實體單元模型分析

U形梁受力呈明顯的空間受力特征［4-5］，平面桿系模型主要用于結構的整體受力分析及預應力效應與混凝土收縮徐變的分析，實體模型主要用于截面應力分布規律的研究，根據實體模型的計算結果對平面桿系模型及結構的總體應力儲備進行調整。

1)荷載施加

U形梁為開口薄壁不對稱結構，荷載的施加位置對其局部的受力影響較大。二期恒載包括軌道結構、橋面鋪裝、聲屏障、電力電纜槽、信號電纜槽、疏散平臺等，其施加位置應準確，以反映實際狀況。

活載橫向分布按道床寬度向下45°角擴算范圍均布。軌道扣件模擬為彈簧支座，其縱向間距0. 6 m，豎向剛度按150 kN/cm考慮。由此建立節點模型，通過支反力關系近似得出活載的縱向分布關系(見圖6)。

2)實體單元計算

空間實體單元模型采用Midas進行分析，分別選取跨中、1 /4截面及梁端截面進行檢算，活載按對應截面的最不利影響線加載。預應力取平面計算結果中運營階段對應截面位置，鋼束有效預應力值等效預壓力作為外力施加在實體模型上，得到實體單元模型中各結構關鍵點處的應力值。

以跨中截面為例，自重、主力及主+附作用下的截面應力云圖分別如圖7、圖8、圖9所示。

表1平面桿系模型計算結果

圖8主力作用下跨中截面縱向應力云圖(單位: MPa)

圖9主+附作用下跨中截面縱向應力云圖(單位: MPa)

從圖中可知U形梁截面呈現不對稱的特性，在主力作用下U形梁跨中截面全截面受壓，其中外側腹板下緣在主力、主+附作用下最小壓應力分別為0. 9， 0. 6 MPa，滿足規范要求。

最大壓應力發生在內側腹板上緣，主力、主+附作用下分別為12. 4和12. 6 MPa，滿足規范要求，其中內外側腹板頂壓應力相差達4. 9～6. 6 MPa。

靜活載作用下，梁體最大豎向位移在底板線路中心線偏內側腹板側，為7. 7 mm(向下)，內側腹板豎向位移7. 8 mm (向下)，外側腹板豎向位移4. 0 mm(向下)。

4. 4空間計算和平面計算的結果對比(表2)

表2平面桿系與空間實體單元分析的縱向應力對比MPa

由于U形梁截面的不對稱及線路偏心的影響，空間實體單元模型截面應力表現為不均勻性，平面桿系模型計算得截面下緣最小壓應力為1. 51 MPa，而實體單元在主力及主+附作用下底板壓應力分別為2. 8～0. 9 MPa，2. 5～0. 6 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，但均滿足規范要求。

4. 5橫向配筋驗算

橫向活載動力系數按1. 4考慮，通過三維實體模型分析得出底板中最大橫向名義拉應力，反算彎矩進行鋼筋混凝土配筋。U形梁橫向配筋詳見表3，表4。

表3底板下緣配筋(主力)

表4底板下緣配筋(主+附)

由表中可見，混凝土，鋼筋應力及裂縫驗算滿足設計規范要求。

5　小結

U形梁作為一種開口殼體結構，其空間受力復雜，用常規的桿系結構內力分析程序難以了解結構中局部應力的復雜分布狀態。通過對青島藍色硅谷軌道交通高架區間U形梁進行平面桿系與空間實體單元對比分析，確認采用空間實體單元分析更符合結構實際情況。

參考文獻

［1］劉紅緒，趙會平．城際軌道交通U梁結構設計研究［R］．西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2013．

［2］中華人民共和國住房和城鄉建設部．GB 50157—2013地鐵設計規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2013．

［3］吳訊，張鵬．軌道交通U形梁溫度模式研究［J］．山西建筑，2008( 32) : 28-29．

［4］王彬力．城市軌道交通U型梁系統結構受力行為研究［D］．成都:西南交通大學，2008．

［5］趙建軍，李偉．上海城市軌道交通高架區間U形梁設計與施工［J］．城市道橋與防洪，2009( 5) : 113-115．

(責任審編孟慶伶)

Design on U-shaped girder of Blue Silicon Valley intercity transit in Qingdao

LIU Hongxu

( China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710043，China)

Abstract:As an open shell structure，U -girder is complicated in terms of its spatial forces．T he characteristics of U -girder in the overhead area of the Blue Silicon Valley intercity rail transit in Qingdao were studied．A twodimensional link model and a spatial three-dimensional solid element model were respectively established by BSAS and M idas/civil．T he stress of U -girder was not uniformly distributed．And the stress safety reserve in the solid element model was less than that in the link model．By analyzing the stress characteristics of U -girder，the structural stress reserve is identified．T his analysis may be useful for the similar engineering design．

Key words:U -girder; Structure design; Stress reserve; Link model; Solid model

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0023-04

作者簡介:劉紅緒( 1980—)，男，工程師。

收稿日期:2015-06-09;修回日期: 2015-11-06

中圖分類號:U441+．5

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．05