城市軌道交通連續(xù)U梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

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摘要:軌道交通高架線是城市快速軌道交通線路的首選形式。U形斷面的橋梁結(jié)構(gòu)外形美觀、結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)、施工方便，是近年來(lái)快速發(fā)展的一種新結(jié)構(gòu)形式。以青島地鐵人民路節(jié)點(diǎn)橋連續(xù)U梁設(shè)計(jì)為依托，對(duì)現(xiàn)有連續(xù)U梁截面進(jìn)行優(yōu)化。利用BSAS程序，通過(guò)建立平面桿系模型對(duì)2種不同截面的連續(xù)U梁進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，得出2種截面下全橋的變形和受力。在Midas中建立有限元實(shí)體模型，對(duì)優(yōu)化截面連續(xù)U梁計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核對(duì)比，發(fā)現(xiàn)通過(guò)優(yōu)化連續(xù)U梁中支點(diǎn)截面特性，變相增加腹板高度，可以有效改善全橋縱向正應(yīng)力及豎向變形，使全橋結(jié)構(gòu)受力更科學(xué)合理，同時(shí)大大減少了預(yù)應(yīng)力鋼束數(shù)量，節(jié)約了成本。

關(guān)鍵詞:軌道交通;U梁;數(shù)值計(jì)算;優(yōu)化設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)分析 

1工程概況

青島市紅島—膠南城際軌道交通線是貫穿西海岸經(jīng)濟(jì)新區(qū)的軌道交通骨干線和快速線，全線高架區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)梁采用單線U梁并置方案?？缭饺嗣衤窌r(shí)，受道路寬度、行車視距等因素影響，需采用40m跨度的橋梁結(jié)構(gòu)跨越?？紤]與簡(jiǎn)支U梁銜接過(guò)渡的流暢性及美觀性要求，跨越人民路節(jié)點(diǎn)橋采用(30+40+30.95)m雙線連續(xù)U梁結(jié)構(gòu)。

2常規(guī)連續(xù)U梁設(shè)計(jì)及存在問(wèn)題

2.1常規(guī)連續(xù)

U梁設(shè)計(jì)思路U梁是一種梁板空間組合預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，當(dāng)列車荷載作用在橋面上時(shí)，荷載通過(guò)承軌臺(tái)傳給主梁，再由主梁傳到支座［1］。結(jié)構(gòu)承載力和剛度隨著梁體跨度的增加而大幅降低，因?yàn)榱后w跨度的增加，意味著在相同荷載作用下，梁體跨中最大彎矩會(huì)增加，則梁體跨中撓度就會(huì)相應(yīng)增加［2］。由此可見(jiàn)，對(duì)于連續(xù)U梁，為保證梁體有一定的剛度，應(yīng)該加大截面尺寸或配筋率，以保證梁體有一定剛度和彈性承載能力。由于疏散平臺(tái)及其他附屬結(jié)構(gòu)的限制，梁高只能變相向下增加，通過(guò)適當(dāng)增加底板厚度以改善結(jié)構(gòu)受力性能

2.2常規(guī)連續(xù)

U梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前連續(xù)U梁截面變高度常規(guī)做法為在保持腹板高度不變的前提下，向下增加底板厚度的同時(shí)縮小底板寬度。本聯(lián)連續(xù)U梁腹板高度1.54m，底板厚度由0.3m增加為1.66m，梁底寬由9.71m減小為6.35m。

3結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路及優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1優(yōu)化思路

受彎構(gòu)件混凝土的壓應(yīng)力計(jì)算公式為σc=MW0≤［σb］(1)W0=IxY1(2)式中:σc為混凝土壓應(yīng)力，MPa;M為計(jì)算彎矩，MN•m;W0為混凝土受壓邊緣的換算截面抵抗矩，m3;［σb］為彎曲受壓及偏心受壓時(shí)混凝土容許應(yīng)力，MPa;Ix為截面慣性矩，m4;Y1為中性軸至梁底距離，m。根據(jù)式(1)、式(2)可知:為了保證結(jié)構(gòu)全截面受壓，增加截面上下緣壓應(yīng)力安全儲(chǔ)備值，在M不變的前提下，σc的大小隨W0的減小而增大。只有有效地降低截面慣性矩或增加中性軸至梁底距離，才能減小σc值。

3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)

連續(xù)U梁變高度截面優(yōu)化方案的做法為在保持底板厚度不變的前提下，向下增加腹板高度的同時(shí)縮小底板寬度。本聯(lián)連續(xù)U梁底板厚度保持0.3m不變，梁底寬同樣由9.71m減小為6.35m，腹板高度1.54m向下增加為2.9m。優(yōu)化設(shè)計(jì)梁體結(jié)構(gòu)外輪廓線與常規(guī)設(shè)計(jì)保持一致。僅在中支點(diǎn)左右各12m范圍內(nèi)設(shè)置后澆混凝土段，縱向設(shè)置20mm斷縫。后澆混凝土段不參與全橋結(jié)構(gòu)受力，在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)僅按自重考慮為均布恒載作用于底板。后澆混凝土段施工應(yīng)在連續(xù)U梁全部鋼束張拉結(jié)束15d后一次澆筑成型

3.3優(yōu)化結(jié)果

3.3.1截面特性對(duì)比

優(yōu)化后的中支點(diǎn)截面后澆混凝土部分不參與結(jié)構(gòu)受力，所以截面面積大大減小，截面其他特性值也相應(yīng)改變，截面慣性矩減小了約21%，中性軸高度增加了0.17m。根據(jù)式(1)、式(2)可知，截面抵抗矩W0得到有效減小，相應(yīng)σc得到有效提高。

3.3.2預(yù)應(yīng)力鋼束張拉形式及數(shù)量對(duì)比

連續(xù)U梁縱向按后張法全預(yù)應(yīng)力理論設(shè)計(jì)。由于優(yōu)化方案對(duì)全橋結(jié)構(gòu)性能的有效提升，配束情況特別是通長(zhǎng)底板束的鋼束布置大樣及數(shù)量變化很大。常規(guī)連續(xù)U梁設(shè)計(jì)中，變截面形式為邊跨向中支點(diǎn)處截面底板向下加厚，通長(zhǎng)底板束卻沒(méi)有向下豎彎，而是距底板0.11m處水平布置。在底板鋼束通過(guò)中支點(diǎn)處有效利用率偏低，對(duì)頂板束產(chǎn)生了相互抵消的不利作用，鋼束整體布置形式不太合理。結(jié)果整體鋼束用量較大，強(qiáng)度安全系數(shù)偏高，造成鋼束浪費(fèi)。優(yōu)化后連續(xù)U梁截面底板厚度保持不變，底板鋼束豎彎線形與底板構(gòu)造線形保持一致。底板鋼束由梁端伸長(zhǎng)至距中支點(diǎn)中心5.5m處為止，中支點(diǎn)處截面無(wú)底板鋼束通過(guò)。優(yōu)化后鋼束充分發(fā)揮作用，中支點(diǎn)區(qū)域內(nèi)無(wú)底板鋼束通過(guò)，消除了對(duì)頂板鋼束的約束抵消作用，在減少底板鋼束的同時(shí)相應(yīng)減少了頂板鋼束。全橋強(qiáng)度安全系數(shù)值較合理。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)腹板鋼束減少1578kg，頂板鋼束減少597kg，底板鋼束減少9499kg，鋼束總量減小約31%，有效降低了工程造價(jià)。

3.3.3桿系模型計(jì)算結(jié)果比較

利用BSAS程序建立桿系模型，全橋共分為73個(gè)單元，74個(gè)節(jié)點(diǎn)。荷載組合分別以主力、主力+附加力進(jìn)行組合，取最不利組合進(jìn)行設(shè)計(jì),常規(guī)連續(xù)U梁通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)變截面梁體變化方式、預(yù)應(yīng)力鋼束張拉形式及布置等進(jìn)行了調(diào)整。調(diào)整后可以看出在減少預(yù)應(yīng)力鋼束數(shù)量的同時(shí)，全橋應(yīng)力值分布更均衡，截面抗裂安全系數(shù)和強(qiáng)度安全系數(shù)明顯降低，撓度和徐變上拱值減小，結(jié)構(gòu)受力更為科學(xué)合理。

4優(yōu)化連續(xù)

U梁實(shí)體模型研究雙線連續(xù)U梁結(jié)構(gòu)要求橋面有更大的凈寬，截面抗扭剛度較小，這些因素使橋梁的空間效應(yīng)明顯，如果單純依靠一般橋梁結(jié)構(gòu)的平面桿系結(jié)構(gòu)分析程序，難以準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況［5］。為了保證設(shè)計(jì)施工的安全性，針對(duì)優(yōu)化方案，還進(jìn)行了空間三維實(shí)體單元模型分析，進(jìn)一步研究截面應(yīng)力分布規(guī)律，校核平面桿系模型及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。

4.1空間實(shí)體計(jì)算模型的建立

優(yōu)化方案采用FEA和Midas2種軟件建立空間實(shí)體模型。模型中采用實(shí)體單元模擬混凝土，采用桁架單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼束，以保證如實(shí)模擬結(jié)構(gòu)形狀及尺寸的變化，準(zhǔn)確模擬邊界條件，確保最終計(jì)算結(jié)果的精確性。

4.2空間實(shí)體模型計(jì)算結(jié)果

經(jīng)分析，中跨跨中和中墩支點(diǎn)位置受力較為不利，故取該處截面進(jìn)行計(jì)算分析。

4.3平面桿系模型與空間實(shí)體模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由于U梁截面為對(duì)稱截面，空間實(shí)體單元模型U梁截面應(yīng)力表現(xiàn)出均勻性［6］。平面桿系模型計(jì)算得到截面上緣最大壓應(yīng)力為6.53MPa，下緣最小壓應(yīng)力為2.12MPa，而空間實(shí)體單元模型外腹板上緣最大壓應(yīng)力為6.91MPa，底板最小壓應(yīng)力為2.03MPa，實(shí)體單元應(yīng)力安全儲(chǔ)備值要小于平面桿系模型計(jì)算結(jié)果［7］。2種模型計(jì)算結(jié)果比較吻合，均滿足規(guī)范要求。

5結(jié)論

1)通過(guò)優(yōu)化連續(xù)U梁中支點(diǎn)截面特性，變相增加腹板高度，有效改善了全橋縱向正應(yīng)力及豎向變形，使全橋結(jié)構(gòu)受力更為科學(xué)合理，同時(shí)大大減少了預(yù)應(yīng)力鋼束數(shù)量，提高全橋經(jīng)濟(jì)性。2)空間實(shí)體單元模型的平均縱向正應(yīng)力結(jié)果與平面桿系模型的結(jié)果基本吻合，因此采用平面桿系模型進(jìn)行縱向設(shè)計(jì)是可行的，但在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到頂、底板局部應(yīng)力集中情況，因此在平面桿系模型計(jì)算時(shí)要考慮一定的安全系數(shù)。

參考文獻(xiàn)

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作者:吳煒 單位:蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司