U形梁在城市軌道交通應用中的優化及關鍵技術

摘 要：文章通過對以往U梁設計進行分析，在青島藍色硅谷城際軌道交通工程中采用優化后的U梁構造，并采用Midas/civil建立空間三維實體單元模型進行分析，對鋼束位置及根數進行合理化布置。發現施工過程中U梁梁端出現裂縫問題，及時優化調整設計、施工等措施，確保解決問題。文章給出U梁存放、運輸、架設等關鍵技術，確保了橋梁結構安全，對類似工程U梁設計具有一定的參考借鑒意義。

關鍵詞：U形梁；實體單元；裂縫；優化；關鍵技術

由于U形梁在美觀、降噪、建筑高度低等方面優勢明顯，在城市軌道交通工程中的應用越來越廣泛[1]，上海、南京、重慶、鄭州地鐵中均采用過U梁，但上海地鐵為法國人設計[2]，南京地鐵U開始由國內工程師設計，可以說U梁發展較短，U梁在以往設計使用中或多或少存在以下幾個問題：

（1）U梁為薄壁結構，底板、腹板的厚度過薄導致整體剛度較小、輪軌噪音屏蔽效果差，梁端排水無法處理。

（2）U梁為空間薄壁結構，鋼束的布置、張拉順序都會影響整個結構的受力，如何確定鋼束位置及張拉順序是確保結構安全的重要因素。

（3）后張法U梁，在張拉端鋼束附近應力較集中，往往會出現微裂縫，采取及時有效的解決措施是確保梁場預制U梁成功的關鍵。

（4）U梁為開口薄壁結構，受扭薄弱，U梁的存儲、運輸、吊裝技術也是影響工程質量的關鍵環節。

1 工程概況

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58.35km，其中高架段長約47km，占線路總長的80%，線路預留經田橫鎮延伸至海陽市的條件。全線設置車站22座，高架站18座，地下站4座，平均站間距2652m，與線網中的M2、M4、R6、R7形成換乘。全線設置兩個梁場，共生產3000多片U形梁。

2 U梁構造優化

從上圖可以看出上海地鐵U梁采用等截面形式，腹板、底板厚度25cm，此U梁設計存在以下幾個問題：

（1）整體剛度較小，梁端轉角較大。為了解決梁端轉角較大引起軌道上拔力過大問題，需要在橋敦頂部設置墊梁，增加了工程的難度。

（2）梁端防排水不好處理，易漏水。

（3）全線采用一種梁寬，腹板對輪軌噪音的屏蔽作用有所減弱，降噪效果不好。

為了解決上述關鍵技術問題，本工程對U梁構造進行了如下優化：

高架橋采用整孔預制預應力混凝土簡支U梁，標準跨度分25m、30m兩種，梁型分5.0m線間距直線段、5.0m線間距曲線段和5.1m線間距曲線段三種。U梁外觀整體呈“U”字型，為開口薄壁結構，腹板為弧形設計，支座中心距梁端0.6m，梁端1.2m為U梁底板加厚區，梁高由1.8m增至1.94m，漸變段長0.42m。內外腹板厚分別為0.26m、0.265m，底板厚0.26m，梁端底板加厚至0.4m。

5.0m線間距直線段U梁上寬5.32，下寬3.98m（梁端底板加厚區底寬4.58m），外腹板頂寬1.0m，內腹板頂寬0.72m，線路中心線偏向內腹板側，與底板中心線偏心0.065m。

5.0m線間距曲線段U梁上寬5.42，下寬4.08m（梁端底板加厚區底寬4.68m），外腹板頂寬1.0m，內腹板頂寬0.57m，線路中心線偏向內腹板側，與底板中心線偏心0.065m。

5.1m線間距曲線段U梁上寬5.52，下寬4.18m（梁端底板加厚區底寬4.78m），外腹板頂寬1.0m，內腹板頂寬0.57m，線路中心線偏向內腹板側，與底板中心線偏心0.115m。

優化后5.0m線間距直線段U梁截面圖如圖3、圖4：

本工程板厚增加1cm，在梁端設置端橫梁，增加整體剛度滿足兩端轉角問題，取消梁端開口，可有效解決梁端排水問題，并利用梁縫構造處理。按曲線半徑不同，采用3種梁寬，增強結構對輪軌噪音的屏蔽作用。

3 U梁關鍵技術

3.1 U梁鋼束布置

利用Midas軟件建立U梁三維實體單元模型[3]，按二期恒載實際作用位置加載荷載，并利用影響線確定活載加載位置，初期考慮預應力加載位置模擬預應力作用，初次預應力布置按U梁截面幾何中心往外等間距布置，提取在自重+二期恒載+預應力作用下跨中截面應力進行分析[4]。

圖6 跨中截面縱向應力云圖（單位：MPa）

從上圖可以看出，在自重+二期恒載+預應力作用下，跨中截面縱向應力分布基本均勻，腹板頂應力雖有差別但不大，底板左右應力基本一致，說明鋼束布置合理，鋼束布置圖如圖7、圖8。

NI、N1'、N2、N3均采用9-φs15.2mm低松弛鋼絞線，N4、N5采用10-φs15.2mm低松弛鋼絞線。

3.2 U梁鋼束優化

青島藍色硅谷線共設置兩個兩場，梁場在張拉預應力后腹板，內側腹板梁端出現斜45°裂紋，如圖9所示。

針對以上出現問題，對鋼束位置及鋼束數量進行了重新分配調整，具體措施如下：

（1）鋼束位置的調整

簡支U梁N1'鋼束錨固端由距腹板外緣200mm調整為270mm，增加了局部應力擴散空間，降低混凝土崩裂風險（如圖10所示）。

（2）鋼束根數和張拉力的調整

腹板鋼束N1、N1'由9φs15.2調整為7φs15.2，同時底板N2、N3鋼束由9φs15.2調整為10φs15.2，鋼束總束數不變。

鋼束初張拉應力由700Mpa調整為600Mpa，初張拉鋼束由原來N5、N3、N1、N1'（共6束）調整為N5、N3、N2、N1、N1'（共8束）。

3.3 U梁局部鋼筋優化

正對以上出現問題，對鋼筋也相應做了調整和優化，使局部受力更加合理、安全，具體措施如下：

（1）N1、N1'鋼束錨下螺旋筋加大，采用φ14鋼筋，同時要求錨下螺旋鋼筋與錨墊板焊接，確保錨下螺旋鋼筋定位準確。

（2）U梁內側腹板端部位增設N2b縱向加強鋼筋，鋼筋長度1.5m（見下圖），同時梁端面必須設置護面鋼筋。

通過以上調整，及提高混凝土拌合質量、加強后期養護等措施，后期U梁未出現梁端裂紋，為以后此類工程積累了豐富的工程經驗。

3.4 U梁存放、運輸、架設關鍵技術[5]

（1）U梁運輸支點位置應符合設計要求。支點應位于同一平面上，U梁同一端支點相對高差不得大于2mm，支座中任意一點與另外三點組成的平面相對高差不得大于2mm。

（2）U梁存放必須采用單層存梁，支點位置及支點的懸出距離應符合設計要求。長期存梁時應采取措施，防止梁體產生過大上拱。

（3）在存梁、吊梁、運梁過程中，應保證各吊點或支點受力均勻，建議施工單位采用反力傳感器等技術手段實測吊裝期間反力，在各種工況下，首先應按設計位置準確落在兩端作為臨時支點的千斤頂上，同時應保證每支點反力與理論計算反力相差不超過±5%。

（4）梁起頂、吊運、存放時的最大懸臂長度為0.9m。施工中應采取嚴格措施保證結構穩定。

（5）U梁架設時，采用支點反力控制，每支點反力與理論計算反力相差不超過±5%。當支座砂漿強度達到20MPa、千斤頂撤出后方可通過運架設備。

4 結束語

U梁為空間薄壁結構，受力復雜，即便建立三維實體單元模型，也未必反映出其實際受力特點，但通過此次設計、研究及優化，已基本熟悉U梁設計及相關關鍵技術，有助于推動U梁在城市軌道交通領域中的應用，而且U梁具有“美觀、降噪效果好、建筑高度低”等優點，未來前景十分廣闊。

參考文獻

[1]梁匯偉.槽形梁設計要點及在城市軌道交通中的應用[J].交通科技與經濟，2011（2）：71-73.

[2]劉紅緒，趙會平，等.城際軌道交通U梁結構設計研究青島藍色硅谷城際軌道交通U梁結構設計QC小組[R].中鐵第一勘察設計院，2013，12.

[3]歐陽輝來.槽形梁三維實體有限元分析[J].鐵道標準設計，2009 （1）：45-47.

[4]劉紅緒.青島藍色硅谷城際軌道交通U形梁設計[J].鐵道建筑，2016（2）：23-26.

[5]中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2008]189號 鐵路大型臨時工程和過渡工程設計暫行規定[S].北京：中華人民共和國鐵道部，2008.

作者簡介：魏亮道（1985-），男，工程師，2011年畢業于蘭州交通大學，工學碩士。