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城市轨道交通U型梁开洞设计研究

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龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 城市轨道交通 U 型梁开洞设计研究 作者:张守龙 袁兴华 万淑敏 来源:《现代城市轨道交通》2019 年第 06 期 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 摘 要:U 型梁在青岛市轨道交通 13 号线工程得以大规模应用,为实现电缆上桥,本工程 采用 U 型梁外侧腹板及底板开洞穿缆设计方案,避免了采用连续箱梁电缆上桥,实现了景观 和谐统一。文章对 U 型梁开洞设*辛*面杆系模型及空间实体单元模型计算分析,并与 标准 U 型梁进行了对比分析,结果表明,U 型梁开洞设计合理,结构受力及安全性满足限值要 求。 关键词:城市轨道交通;U 型梁;开洞设计 中图分类号:U443 1 工程概况 青岛市轨道交通 13 号线是青岛城市轨道交通线网“一环四线”的组成部分,该工程位于青 岛市西海岸经济新区,总体线位呈东北—西南走向,经过经济技术开发区、灵山卫影视文化产 业区、新区中心区、古镇口军民融合创新示范区、董家口经济区等 5 个重要片区,沿线所经片 区规划人口密集,自然环境优美,对工程有较高的景观要求。工程正线全长约 70.06 km,其中 高架线总长度 51.39 km。高架线路桥梁上部结構标准梁采用先张法 U 型梁,标准墩采用圆端 形截面墩柱 T 形墩,盖梁采用宝石型盖梁,按预应力混凝土结构设计。上部 U 型梁采用梁场 预制,架桥机运架的施工方法。 大珠山站—张家楼站区间中部设置 1 处区间变电所,区间变电所位于高架桥梁正下方,为 实现电缆从区间变电所接入桥上供电轨,高架区间桥梁需进行电缆上桥方案设计。 2 U 型梁开洞设计 2.1 开洞设计 青岛市轨道交通 13 号线为实现区间变电所电缆上桥,设计方案重点比选了连续箱梁悬臂 开洞及预制 U 型梁腹板开洞 2 种设计方案,经综合考虑现场环境及景观要求、线路条件、工程 投资、施工周期及便捷性等因素,最终采用预制 U 型梁腹板开洞设计方案,该方案实现了全 线景观一致,最大程度地利用架桥机,保证了全区间采用架桥机运架梁,缩短了施工工期及节 约了工程投资。 13 号线高架区间标准梁采用先张法预应力混凝土简支 U 型梁,标准跨径 30 m,配跨 25 m,U 型梁为开口薄壁结构,整体外观呈 U 字型,两侧腹板采用弧形设计,支座中心距梁端距 离为 1 m,U 型梁梁端 2.02 m 范围为底板支点加厚区,加厚区梁高由 1.8 m 增至 1.94 m,渐变 段长 0.42 m。U 型梁底板厚 0.26 m,内外腹板厚分别为 0.26 m、0.265 m,梁端底板加厚至 0.4 m。直线段 30 m 标准 U 型梁构造如图 1 所示。 本区间电缆上桥处 U 型梁采用整孔预制预应力混凝土简支 U 型梁,梁型为 5.0 m 线间距直 线梁。为达到不增加 U 型梁计算跨径,不改变 U 型梁横断尺寸的目的,U 型梁采用腹板与底 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 板同时开洞设计(图 2)。根据梁端电缆开洞需求,每端开洞尺寸为 50 cm(宽)×80 cm (高),见图 3a。相对应地,在 U 型梁底板也开洞,开洞尺寸为 40 cm(宽)×346 cm (长),见图 3b。相邻 2 片 U 型梁架设完成后腹板处孔洞尺寸为 110 cm(宽)×80 cm (高)。 2.2 盖梁设计 下部桥墩结构盖梁设计方案与开洞 U 型梁相匹配,盖梁纵向宽度 3.6 m,盖梁顶设置 2 处 凸起块,尺寸为 70 cm(宽)×326 cm(长),轨道道床在墩顶处直接设置于盖梁顶凸起块, 见图 4。 2.3 预应力设计 13 号线工程 U 型梁按全预应力混凝土构件进行设计,钢束采用直径 15.20 mm 强度级别 1 860 MPa 的低松弛钢绞线,U 型梁预应力采用先张法张拉施工。 开洞 U 型梁只设置纵向预应力,钢绞线共设置 90 束,其中设置 17 束 N1 通长束,10 束梁 端失效长度为 0.4 m 的 N1’,28 束梁端失效长度为 2.4 m 的 N2, 2 束梁端失效长度为 2.8 m 的 N2’,29 束梁端失效长度为 5.0 m 的 N3,4 束梁端失效长度 为 5.4 m 的 N3’。钢束在底板范围内分 3 层布设,距离底板底距离分别为 82 mm、75 mm、75 mm。开洞 U 型梁预应力钢筋布置见图 5。 与 30 m 标准 U 相比,开洞后计算跨径由 28.7 m(标准 U 型梁)减少至 27.9 m(开洞 U 型 梁),因此设计时采用的 As15.2 mm 低松弛钢绞线也相应得由 96 束(标准 U 型梁)减少至 90 束(开洞 U 型梁)。 3 结构分析 U 型梁属于下承式开口薄壁结构,具有外观优美、建筑高度低和噪音控制好等优点。由于 梁腹板采用弧形,腹板及底板的厚度均较薄,荷载作用下底板会产生双向弯曲和扭转,同时腹 板也会受到法向应力及弯、剪、扭共同作用,因此,U 型梁属于一种复杂的空间梁、板组合结 构,受力呈明显的空间受力特征。为精确计算开洞 U 型梁力学性能,设计过程中采用*面杆 系模型(BSAS)和空间实体单元模型(MIDAS)2 种方法进行分析比较。*面杆系模型计算 主要实现结构的整体受力分析及预应力效应与混凝土收缩徐变的分析,实体模型计算用于实现 掌握截面应力分布规律的研究。同时,计算过程中与标准 U 型梁进行对比,保证结构受力安 全合理。 3.1 *面杆系模型计算 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 表 1 为*面杆系模型运营阶段的截面应力结果,与 30 m 标准 U 型梁相比,通过优化钢束 数量,预应力钢筋由 96 束减少至 90 束,检算后预应力钢筋最大应力为 1 116 MPa,稍大于标准 U 型梁应力 1 114 MPa,但仍满足限值要求。挠度和转角结果见 表 2,与 30 m 标准 U 型梁对比因为计算跨径的减小,结构



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