大直徑鋼絞線在城市軌道交通工程中的應用

岳章勝 蔣海軍 王利偉

(青島市市政工程設計研究院有限責任公司,266071,青島//第一作者,高級工程師)

1 工程概述

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

預應力混凝土U形梁是一種下承式橋梁結構形式，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點[1]。青島地鐵8號線工程高架段標準梁采用混張法預應力混凝土簡支U形梁，標準梁長32.7 m，線間距5.0 m。U形梁腹板為弧形設計，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;梁高由1.90 m增至2.04 m，漸變段長0.42 m;跨中內外腹板厚均為0.28 m，支點處內外腹板厚均為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(梁端底板加厚區底寬4.52 m)，外腹板頂寬1.00 m，內腹板頂寬0.72 m;線路中心線偏向內腹板側，與底板中心線偏心0.14 m。梁端橫截面見圖1。跨中橫截面見圖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大直徑鋼絞線進行布置對比，并對長32.7 m U形梁進行平面桿系計算和空間實體模型分析，最終采用φ17.8 mm大直徑鋼絞線混張法的施工工藝。

2 U形梁鋼絞線結構構造對比

國內鋼絞線的規格按結構分主要有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少量采用[3]。GB/T 5224—2014《預應力混凝土用鋼絞線》中雖然加入了φ17.8 mm的鋼絞線，但目前國內工程中通常應用的鋼絞線直徑仍較小。φ15.2 mm和φ17.8 mm鋼絞線結構參數和力學性能對比分別見表1和表2。

圖2 跨中橫斷面圖

表1 1×7鋼絞線結構參數

表2 1×7鋼絞線結構力學性能

從表2可以看出，φ15.2 mm鋼絞線與φ17.8 mm鋼絞線技術指標要求基本相同。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形梁縱向按照全預應力體系進行計算[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引起先張鋼束的預應力損失，因此先張鋼束的有效應力需扣除此部分預應力損失。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。考慮到采用φ15.2 mm鋼絞線時鋼束間距太小，施工操作不便，青島地鐵8號線U形梁全部采用φ17.8 mm大直徑鋼絞線。底板及腹板布設3層預應力筋。底板底至第1層預應力筋中心線的距離為82 mm，第一層預應力筋中心線至第二層預應力筋中心線距離為75 mm，第二層預應力筋中心線至第三層預應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束兩側梁端失效長度為2.4 m，26束兩側梁端失效長度為5.0 m。預應力鋼束布置如圖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，端部開槽處施工質量容易控制。

城市軌道交通U 形梁的受力為薄壁開口構件，抗扭剛度小，結構受力復雜，易在底板上出現“剪力滯”現象[5]。由于剪力滯效應的存在，使得主梁的撓度和縱向正應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行桿系和實體建模分析。三維實體模型及跨中截面縱向應力云圖如圖5～8所示。

單位:MPa

單位:MPa

單位:MPa

單位:MPa

平面桿系和空間實體單元模型應力計算結果對比見表3。從表3中可以看出，傳統的平面桿系結構已無法反映結構應力分布情況。平面桿系模型計算的主力作用下截面下緣最小壓應力為2.34 MPa，而實體單元模型計算的下緣最小壓應力為 2.0 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TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》要求。

表3 U形梁縱向應力計算結果

3 φ 17.8 mm鋼絞線工程參數

由于目前國內無φ17.8 mm大直徑鋼絞線應用先例，因此在青島地鐵8號線U形梁施工過程中，做了大量的試驗工作，積累了φ17.8 mm大直徑鋼絞線的第一手資料。φ17.8 mm鋼絞線力學性能實測參數見表4[6]。

表4 φ 17.8 mm鋼絞線力學性能實測參數

檢測結果表明，φ17.8 mm鋼絞線的力學性能與常規φ15.2 mm鋼絞線基本相似，其力學性能滿足GB/T5224—2014《預應力混凝土用鋼絞線》的各項指標要求。

腹板束采用4股φ17.8 mm后張鋼絞線，施工前對φ17.8 mm大直徑鋼絞線進行了摩阻系數試驗。鋼絞線孔道偏差系數及摩阻系數檢測報告見表5[7]。

檢測結果表明，φ17.8 mm大直徑鋼絞線孔道偏差系數以及錨口、喇叭口的損失率與φ15.2 mm直徑鋼絞線相差不大，均在規定的范圍內。φ17.8 mm大直徑鋼絞線孔道摩阻系數比常規鋼絞線大，與波紋管間的孔道摩阻系數大于TB10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》規定的限值，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參數表

由于鋼絞線需要分級張拉，φ17.8 mm大直徑鋼絞線初張力無實際工程經驗借鑒，施工前對φ17.8 mm大直徑鋼絞線進行了初張力試驗。鋼絞線初張力檢測結果為20%σcon[技術指標為(10%～25%)σcon][8]。常規φ15.2 mm鋼絞線初張力一般為(10%～15%)σcon[9]。試驗結果表明，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形梁靜載試驗結果

4.1 梁體剛度評定

U形梁架設前需進行設計活載作用下的靜載試驗。32.7 m長U形梁計算跨徑為31.4 m，跨中撓度計算值為9.8 mm。經靜載試驗,其實測跨中撓度最大值為9.5 mm(測點1)和9.2 mm(測點2)[10]，與計算值吻合良好;其撓跨比為1/3 305<1/2 000，滿足GB 5015—2013《地鐵設計規范》[11]中的要求。

4.2 梁體抗裂性能評定

主梁縱向為全預應力混凝土結構，在底板下緣、倒角及圓弧過渡段，均未發現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 結語

青島地鐵8號線是φ17.8 mm大直徑鋼絞線在國內市政工程及城市軌道交通工程中的首次應用。它在不增大結構尺寸的前提下，能提高預應力筋的使用效率，增大鋼絞線間距，拓寬了U形梁的應用范圍。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用價值，也可為其它市政工程所借鑒。