節段拼裝簡支梁在市域軌道交通應用的性能分析

周海東

(1.東南大學土木工程學院，江蘇 南京 211189; 2.無錫地鐵建設有限責任公司，江蘇 無錫 214000)

1 概述

十三五時期，新基建領域軌道交通得到迅猛發展，同時結合基建智能綠色產業發展要求，尤其是市域軌道交通大面積涉及城郊、農村的綠化、濕地、林地、耕地等用地，節段預制拼裝梁技術以輕量化、便捷化、施工周期短等特點得到迅速發展。通過銜接橋梁設計、橋梁節段預制施工、橋梁運維管理全過程，全面提升設計效率，改善施工質量，加強運維管理，真正實現綠色橋梁、智能橋梁、智慧橋梁。

軌道交通橋梁與公路橋梁的不同之處在于軌道交通橋梁寬度固定，活荷載離散性小，較公路橋梁更加適合采用預制節段梁拼裝。隨著我國橋梁技術的發展，節段預制拼裝造橋技術從20世紀90年代開始得到較廣泛應用和發展，例如上海新瀏河大橋、上海滬閔高架、蘇通大橋引橋、廈門集美大橋、上海軌道交通明珠線、廣州地鐵4號、6號線、鄭州至許昌市域軌道交通等項目均采用了節段預制拼裝技術[1-2]。

節段預制拼裝技術相當于傳統支架現澆和整體預制主要優勢表現在：單個梁段體積小，重量輕，可以多節點同時架梁施工，施工速度快，工期短；梁體的預制工廠化，施工質量好，生產效率高；節段箱梁的養護時間長，成橋后梁體的徐變和預應力損失小；有利于橋位處的環保，減少對周邊環境的影響。

雖然目前節段預制拼裝技術已有較大規模的應用，但相對于我國在建橋梁總量仍是占比很低，且節段預制拼裝橋梁的抗彎、抗剪性能受體內外預應力的配置比例、配筋率、接縫的類型和位置等因素的影響[3-4]，與整體式橋梁相比存在較大的差異。為真實反映在靜載和運營階段的受力性能，因此對節段拼裝簡支梁體進行有限元計算分析。

2 工程概況

無錫市域軌道錫澄S1線為連接無錫與江陰主城區，途經尚未規模化開發的城郊與鄉鎮農村，旨在實現區域化發展一體兩翼的戰略目標。該線路起于江陰外灘站，止于無錫地鐵1號線堰橋站，線路全長30.4 km，其中高架線19.7 km，設站9座，平均站間距3.42 km，線路高架段沿徐霞客大道敷設，橋梁選址范圍地勢平坦，交通發達，水系發育。橋梁標準段采用35 m節段預制拼裝簡支梁(見圖1)，結構采用單箱單室斜腹板箱梁截面；梁頂寬9.3 m，梁底寬4.0 m，翼緣懸臂長2.35 m，梁高2 m；頂板厚0.3 m，底板厚0.28 m，支點附近頂底板局部分別加厚至0.5 m，0.6 m；腹板厚度0.35 m，支點附近加厚至0.55 m，節段塊長2.5 m。為滿足施工管理需要，在箱梁底部設置進人孔，在箱梁腹板和底板上均留有通風孔和排水孔，詳細構造尺寸如圖2所示。

全橋縱向預應力設置包括腹板束、底板束。腹板束、底板束采用7Φs15.2鋼絞線和13Φs15.2鋼絞線，內徑70 mm和 內徑90 mm的塑料波紋管預埋成孔，YJM15-7和YJM15-13錨具錨固，預應力鋼束布置如圖3所示。

3 有限元計算模型

3.1 計算模型建立

本文選取35 m節段預制拼裝簡支梁作為研究對象，采用MIDAS/civil進行上部結構模擬計算[5]。主梁用梁單元模擬，共采用12個梁單元，21個節點(包括4個支座頂節點、4個支座底節點)，支座頂與主梁采用剛性連接，支座頂底采用節點彈性連接模擬，設置兩個固定支座，兩個縱向滑動支座。計算模型如圖4所示。

梁體采用C50混凝土、橋墩采用C40混凝土；縱向預應力采用7Φs15.2鋼絞線和13Φs15.2鋼絞線以及YJM15-7和YJM15-13錨具錨固；體內預應力錨下張拉控制應力為1 302 MPa，預應力筋與管道的摩擦系數和孔道偏差系數分別取0.17和0.001 5，松弛系數0.025，錨具變形、鋼筋回縮、接縫壓縮值取0.006 m；混凝土的收縮應變和徐變系數終級值按JTG 3362—2018公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范考慮。材料指標參數取值見表1。

表1 材料指標參數表

3.2 工況荷載

分析時采用的主力工況包括：1)結構自重：混凝土容重為26 kN/m3；2)二期恒載：雙線橋按95 kN/m考慮；3)混 凝土的收縮應變和徐變系數終級值按JTG 3362—2018公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范考慮；4)相鄰墩臺不均勻沉降量之差不應超過10 mm；5)列車標準活載計算按所選用的機車類型確定(見圖5)，軸重P=150 kN，當軸重與影響線異號時取空車，共6節車廂；橫向搖擺力按相鄰兩節車四個軸軸重的15%以集中力形式作用于跨中、墩頂等位置軌頂面處，然后取最不利位置；無縫線路的縱向水平力固定區35 m跨簡支梁伸縮力T1=89 kN/軌，撓曲力T2=35 kN/軌。

分析時采用的附加力工況包括：列車制動力或牽引力考慮應按列車豎向靜活載的15%計算，當與離心力組合時，制動力或牽引力按照列車靜活載10%計算；區間雙線橋應采用一條線的制動力或牽引力。地鐵車輛B型車活載對應制動力為：制動力(15%靜活載)：集中荷載6×4×150×0.15=540 kN。風荷載強度按W=K1K2K3W0計算，其中基本風壓W0=0.6 kN/m2，主梁風荷載為2.028 kN/m，擋板風荷載為1.115 4 kN/m。系統溫差按±25 ℃考慮。

分析時采用的特殊荷載包括：設計基本地震加速度為0.10g，抗震設防烈度為7度，場區所屬的設計地震分組為第一組，特征周期為0.65 s；無縫線路的斷軌力880 kN/軌；汽車撞擊力按現行《地鐵設計規范》的相關規定執行。

3.3 荷載組合

根據設計結構體系，集中選取了5種工況：

1)主力組合1恒載：自重+二期恒載+預應力+混凝土收縮徐變+基礎變位。

2)主力組合2活載：列車活載+列車豎向動力作用+離心力+橫向搖擺力。

3)主力組合3：恒載+活載。

4)主力+縱向附加力組合：主力組合+升降溫組合包絡+整體溫差包絡+縱向風荷載包絡工況+制動力工況。

5)主力+橫向附加力組合：主力組合+橫向風荷載包絡工況。

根據不同設計狀況，進行梁體應力、梁體內力及強度的驗算。

4 計算結果分析

4.1 施工階段應力驗算

根據有限元模型計算分析，可得節段預制拼裝簡支梁在鋪裝二期恒載后和徐變十年后主梁上緣和下緣應力，應力分布如圖6，圖7所示。

節段預制拼裝簡支梁在鋪裝二期恒載后，主梁全斷面受壓，主梁最大上緣應力為-4.6 MPa，最大下緣應力為-17.6 MPa；徐變十年完成后，主梁全斷面受壓，主梁最大上緣應力為-4.8 MPa，最大下緣應力為-16.2 MPa。因此可知梁體上緣壓應力隨著結構徐變影響逐步增加，下緣壓應力逐步減小。

根據相關規范要求[6]，在傳力錨固階段，計入構件自重作用后，混凝土的壓應力應符合σc≤0.75fc=25.125 MPa；拉應力應符合σct≤0.7fct=2.17 MPa。因為施工階段最大壓應力17.6 MPa<σc≤0.75fc=25.125 MPa，因此節段預制拼裝簡支梁施工階段應力滿足要求。

4.2 運營階段應力驗算

4.2.1 主梁正應力驗算

根據有限元模型計算分析，可得節段預制拼裝簡支梁在運營階段荷載組合工況下主梁上緣和下緣應力，應力分布如圖8，圖9所示。

節段預制拼裝簡支梁在運營階段，在主力組合作用下，主梁上緣最大壓應力為-7.6 MPa，主梁下緣最大壓應力為-16.3 MPa；在主力+附加力組合作用下，主梁上緣最大壓應力為-10.7 MPa，主梁下緣最大壓應力為-16.8 MPa。

根據相關規范要求，節段拼裝梁混凝土在主力組合作用的是壓應力應符合σc≤0.5fc=16.75 MPa，在主力+附加力組合作用下的壓應力應符合σc≤0.55fc=18.425 MPa，拉應力應符合σct≤0.7fct=2.17 MPa。因為在運營階段主力組合作用下主梁最大正應力16.3 MPa<σc≤0.5fc=16.75 MPa，主力+附加力組合作用下主梁最大正應力16.8 MPa<σc≤0.55fc=18.425 MPa，因此節段預制拼裝簡支梁運營階段主梁正應力滿足要求。

4.2.2 主梁強度驗算

根據有限元模型計算分析，節段預制拼裝梁在主力組合和主力+附加力組合作用下極限抗彎強度為90 363 kN·m，極限抗剪強度為11 793 kN·m。在不同工況下主梁最大彎矩計算結果如表2所示。

表2 不同工況下主梁內力匯總

根據規范要求，進行使用階段正截面抗彎強度驗算，其中正截面抗彎強度考慮0.95折減系數，斜截面抗剪驗算考慮0.9折減系數。

主力組合最小抗彎強度安全系數為K=90 363/43 841=2.06，最小抗剪強度安全系數K=11 793/5 683=2.08，主力組合安全系數K≥2.0，滿足規范要求。

主力+附加力組合最小抗彎強度安全系數為K=90 363/43 841=2.06，最小抗剪強度安全系數K=11 793/5 683=2.08，主力+附加力組合安全系數K≥1.8，滿足規范要求。

4.2.3 主梁抗裂性能驗算

根據有限元模型計算分析，節段預制拼裝梁在主力組合作用下正截面最小抗裂安全系數Kf=1.45，最大主拉應力σtp=0.9 MPa，最大主壓應力σcp=-12.9 MPa；主力+附加力組合作用下正截面最小抗裂安全系數Kf=1.36，最大主拉應力σtp=1.0 MPa，最大主壓應力σcp=-14.3 MPa。

根據規范要求，對于運營荷載作用下，對不允許出現拉應力的構件(扣除全部預應力損失后)其正截面抗裂安全系數應滿足Kf≤σc+rfct；運營荷載作用下斜截面最大拉應力σtp≤fct=3.1 MPa；主力組合荷載作用下斜截面最大壓應力σcp≤0.6fc=20.1 MPa；主力+附加力組合荷載作用下斜截面最大壓應力σcp≤0.66fc=22.11 MPa。

在主力組合作用下正截面最小抗裂安全系數Kf=1.45≤σc+rfct=4.76，最大主拉應力σtp=0.9 MPa≤fct=3.1 MPa，最大主壓應力σcp=12.9 MPa≤0.6fc=20.1 MPa；在主力+附加力組合作用下正截面最小抗裂安全系數Kf=1.36≤σc+rfct=3.53，最大主拉應力σtp=1.0 MPa≤fct=3.1 MPa，最大主壓應力σcp=14.3 MPa≤0.66fc=22.11 MPa，均滿足規范要求。

因此，節段預制拼裝簡支梁在運營階段主梁抗裂性能滿足要求。

4.2.4 主梁抗剪性能驗算

根據有限元模型計算分析，可得節段預制拼裝簡支梁在運營階段荷載組合工況下主梁剪應力，應力分布如圖10，圖11所示。

節段預制拼裝簡支梁運營階段在主力組合作用下，主梁混凝土最大剪應力τc=τ-τp=1.6 MPa；在主力+附加力組合作用下，主梁混凝土最大剪應力τc=τ-τp=1.6 MPa。

根據相關規范要求，在運營荷載作用下，混凝土的最大剪應力應符合要求：τc=τ-τp≤0.17fc=5.695 MPa，主梁混凝土在主力組合作用下和主力+附加力作用下最大剪應力均符合規范要求，因此節段預制拼裝簡支梁運營階段主梁抗剪性能滿足要求。

5 結語

本文以無錫至江陰城際軌道交通工程高架區間階段預支拼裝簡支梁為研究背景，運用MIDAS軟件模擬其在施工階段和運營階段等不同工況下的受力模型，研究節段預制拼裝梁整體受力特性，重點研究拼裝施工階段的結構狀態對實際結構體系的影響，主要結論如下：

1)通過有效的有限元建模計算，合理分析了節段拼裝簡支梁在施工過程中應力分布情況，驗證了梁體的安全性和穩定性。

2)基于模型分析，考慮十年徐變對預制節段拼裝簡支梁在使用維護中的應力分布變化，驗證了梁體在后續使用中的耐久性和安全性。

3)通過考慮運營荷載和其他附加力作用影響，獲得了節段拼裝梁體在運營階段強度、應力、抗裂和抗剪性能參數，與規范比較確定了節段拼裝梁在運營階段的安全性。

4)通過對本工程標準跨度35 m預制節段拼裝梁不同階段受力分析，得出安全、可靠技術結論的同時，也為長三角區域化發展過程中市域軌道、城際鐵路快速發展中節段預制拼裝梁的普遍應用提供工程實踐參考。