哈尔滨西客站轨道层预应力混凝土结构设计

郑文忠，游 涛，王 英，闫 凯

(哈尔滨工业大学土木工程学院，150090哈尔滨)

1 工程概况

哈尔滨西客站是哈大高速铁路专线的组成部分，总建筑面积达69 996.3 m2，为东北地区重要交通枢纽之一.该客运站由上到下按功能分为商业层、候车层、轨道层和出站层.轨道层位于标高±0处，其上铺设有22条列车轨道，结构采用梁柱框架结构，轨道层横向梁1 500 mm×2 500 mm、站台梁900 mm×3 400 mm采用普通钢筋混凝土，纵向梁1 600 mm×2 700 mm，采用预应力钢筋混凝土.结构布置及局部位置关系见图 1、2.

图1 哈尔滨西客站轨道层结构布置(m)

图2 轨道层局部位置关系(m)

工程结构抗震构造等级为二级，混凝土设计强度等级为C50，预应力筋采用抗拉强度标准值为fptk=1 860 N/mm2的φs15低松弛钢绞线.预应力筋的张拉控制应力为0.75fptk，当浇筑的混凝土立方体抗压强度达到其设计强度等级时张拉.非预应力纵筋和箍筋均采用HRB335级钢筋.

2 内力计算

轨道层除了承担结构自重和站台活荷载以外，还要承担列车停靠和进出站时所产生的列车荷载.当列车停靠站台时，列车荷载对于结构为静荷载;当列车进出站时，列车荷载对于结构为动荷载，此时需要荷载乘以动力放大系数.根据《铁路桥涵设计基本规范》［1］，铁路列车竖向静荷载采用“中－活载”计算，见图3.

由于轨道层各框架梁处于不同标高上，因而建立模型时不考虑板的有利作用，采用平面框架模型，并人工导入荷载，见图4.预应力混凝土纵向框架梁所受荷载为:结构自重、站台梁承担的站台活荷载以及列车活荷载，8条列车轨道设置于纵向梁，考虑列车活荷载的最不利布置，最终得到纵向梁各控制截面的内力见表1.

图3 “中-活载”示意(距离单位m)

图4 预应力纵向梁简化计算模型(m)

表1 纵向梁各控制截面内力

3 预应力混凝土梁配筋计算

轨道层预应力混凝土纵向框架梁一方面为4跨共86 m的大梁，结构超长;另一方面在靠近支座处受到较大集中荷载的作用，在选取线型时采用抛物线与直线的组合线型，这样将导致曲线布筋时的转角曲率较大.上述两方面均会引起较大预应力摩擦损失，而轨道层作用有列车动荷载，为了保证结构的整体性，不宜设置后浇带，为减小预应力摩擦损失，设计时采用改进预应力梁的配筋形式，提出了无粘结预应力筋与有粘结预应力筋混合配筋、分段张拉梁侧锚固以及直线配筋3种配筋方案.

3.1 直线配筋方案

预应力孔道摩擦损失由管道偏差及孔道弯曲两部分影响组成，直线配置预应力筋孔道摩擦损失理论上可降至最低，为此有粘结预应力筋束通长布置于预应力混凝土梁的上部和下部，计算流程见图5.

图5 直线配筋预应力混凝土梁计算流程

根据承载能力要求，计算得到预应力混凝土梁下部需配置90φs15(Ap=12 510 mm2)，下部需配置117φs15(Ap=16 263 mm2).由实际配筋可以分析得到在端部预加力作用下结构的综合弯矩图，见图6.

图6 直线配筋预应力混凝土梁综合弯矩(kN·m)

由图6可知，预应力筋的张拉使支座处出现负弯矩，且外荷载效应使支座处出现负弯矩，对预应力混凝土梁抗裂验算，外荷载弯矩与综合弯矩叠加，对支座梁截面的抗裂性能更为不利，因此该工程不宜采用直线配筋方案.

3.2 无粘结预应力筋与有粘结预应力筋混合配筋方案

有粘结预应力筋的孔道摩擦损失比无粘结预应力筋大，故在满足承载能力极限状态和正常使用极限状态下，无粘结预应力筋代替部分有粘结预应力筋，进而形成以有粘结预应力筋为主、无粘结预应力筋为辅的混合配置预应力筋方案，能够减小预应力摩擦损失，进而提高预应力梁的整体工作性能.

在抗震设防区对配置预应力筋的混凝土梁，理论上应优先选择有粘结预应力筋配置方案.对于跨度大、外荷载大的预应力梁，当以裂缝宽度和挠度限制控制进行配筋计算时，可采用有粘结预应力筋和无粘结预应力筋混合配筋的方案，其中无粘结预应力筋的数量应按以下原则计算确定［2］:

1)预应力混凝土梁在水平地震和竖向荷载作用下，其承载能力由非预应力筋和有粘结预应力筋共同承担，裂缝宽度和挠度的限值要求由无粘结预应力筋和有粘结预应力筋共同满足.因此即使预应力混凝土梁经历地震时某跨无粘结预应力筋失效，也不会引起整体结构连续性倒塌.

2)有粘结预应力筋面积(Ap1)和无粘结预应力筋面积(Ap2)的总面积Ap=Ap1+Ap2，应满足所选择的预应力度以及使用性能双重要求，预应力度对预应力混凝土结构的抗震性能和使用性能有较为重要的影响.

对于预应力混凝土梁，在满足截面构造要求前提下，采用无粘结预应力筋和有粘结预应力筋混合配置预应力筋方案时，应尽可能将有粘结预应力筋配置于靠近预应力混凝土梁受力较大的受拉边缘，将无粘结预应力筋配置于预应力混凝土梁的内侧，使内力臂增大，预应力筋面积减小.本工程受力较大的位置为轨道层纵梁支座处，故采用的预应力筋配置方式见图7.

图7 支座截面预应力筋配置

根据第一条原则可以确定预应力筋量:按预应力混凝土梁单筋截面承载力公式可以确定各控制截面所需有粘结预应力筋量，并取最大值为90bφs15(Ap=12 510 mm2);按截面抗裂要求补足无粘结预应力筋量30Uφs15(Ap=4 170 mm2).依据与预应力筋共同作用以满足承载力极限状态要求，以及满足最小配筋率和第二条要求的原则，计算确定非预应力筋的数量，计算得到非预应力筋的用量和总面积为

无粘结预应力筋和有粘结预应力筋混合配置预应力筋方案的预应力筋线型见图8.张拉端设置在边跨梁端中心轴附近，以便梁端截面负弯矩承载力设计值不致于超强过多，并且预应力偏心引起的弯矩小，预应力筋在框架柱顶部引起的次弯矩对整体受力性能较为有利.

由以上分析可以看出，采用无粘结预应力筋和有粘结预应力筋混合配置预应力筋的方式可以有效减小预应力孔道摩擦损失，与完全配置有粘结预应力筋相比，该方案的预应力筋用量大为减小，在满足正常使用状态条件下，预应力混凝土梁截面承载力设计值超强相对减小，可改善预应力混凝土梁截面延性，提高结构整体抗震性能.

图8 混合配筋预应力筋线型(m)

3.3 分段张拉梁侧锚固配筋方案

梁中部支座处的弯矩较大，若梁中预应力筋通长布置，为了保证裂缝宽度控制能够满足要求需要配置大量预应力筋，而在靠近张拉端的控制截面由于预应力损失较小，所需筋量也较少，按中部支座截面抗裂要求配置的预应力筋就会超量，这样将导致预应力混凝土框架梁各跨的预应力水平相差较大，对结构性能不利［3－5］.

分段张拉梁侧锚固配筋方案是将4跨预应力混凝土梁分成左右两部分，轴分别布置预应力筋束，然后各自进行两端张拉，中部的张拉端设置在梁侧，但须在梁侧设置张拉用的混凝土小牛腿.混凝土小牛腿的计算可采用三角形桁架计算模型［6－7］，梁侧面与预应力筋张拉面的夹角为17°，按张拉控制应力和余弦定理即可计算小牛腿承担的竖向分力Fv=Apσconcos17°=15375kN，综合考虑计算结果和构造要求，确定水平拉筋为).混凝土小牛腿的详图见图9.该方法将有粘结预应力筋的长度减少一半，预应力摩擦损失将大为减小，使设计经济合理．

预应力梁中同一高度每排布设预应力筋4束，位于梁截面外侧的2束预应力筋首先伸出梁的侧面并于靠近○L轴的混凝土小牛腿端部张拉;位于梁截面内侧的2束预应力筋后伸出梁的侧面并于第2排混凝土小牛腿端部张拉．预应力筋应分批对称张拉，同一高度的预应力筋束同一时刻对称张拉，可避免张拉预应力阶段预应力使梁中出现较大的侧向力．分段张拉梁侧锚固配筋的预应力筋布置见图10．

图9 梁侧张拉用小牛腿构造详图

图10 预应力筋立面及平面布置

经计算，预应力混凝土梁中需配置预应力筋量为108φs15(Ap=15 012 mm2)，非预应力筋量为4525(As=22 095 mm2)．

根据文献［9］，对于二、三级抗震等级的预应力混凝土框架梁端截面相对受压区高度x/h0不应大于0.35．由于在轴支座截面处，左右两侧的预应力筋在此处通过，该截面的相对受压区高度将超过规范限值，因而在保证预应力混凝土梁截面大小不变的条件下，可将一定数量的受压钢筋设置于梁的端部．经分析，梁端受压区需配置3025的受压钢筋，梁端及支座非预应力筋配置见图11．

图11 梁端及支座非预应力筋配置(m)

4 疲劳验算

列车客运站的轨道层结构承担列车荷载的重复循环作用，在使用荷载作用下预应力混凝土梁截面允许开裂，为此应对该预应力混凝土梁疲劳验算．

根据文献［10］，对承受疲劳荷载作用的构件，应验算钢筋应力幅，其允许值［Δσ］若无试验依据可按表2选取．

表2 钢筋应力幅允许值［Δσ］ MPa

对于允许开裂的预应力混凝土构件，其开裂截面的非预应力筋和预应力筋的应力幅可按下式计算

式中:Δσp1为消压后预应力筋的应力增量(MPa);Δσs2，Δσp2分别为消压后按开裂截面计算的非预应力筋和预应力筋的应力增量(MPa);σsg，σpg分别为由恒载引起的非预应力筋及预应力筋中的应力(MPa).

按照规范提供的公式，对各项进行计算，最终得到预应力筋及非预应力筋的疲劳应力幅为

两者均满足规范限值要求，说明轨道层预应力混凝土梁不会发生疲劳破坏.

5 结语

哈尔滨西客站轨道层预应力结构为超长结构，受力复杂，本文对比分析了无粘结预应力筋和有粘结预应力筋混合配筋方案、分段张拉梁侧锚固配筋方案以及直线配筋3种方案.计算结果表明:前2种方案一方面可以大大减小预应力摩擦损失，减少预应力筋用量，使设计更加经济合理;另一方面又缓解了承载力设计值超强过多对结构的不利影响，改善构件截面延性，提高抗震性能.

［1］TB10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［2］肖常安，李莉.对梁中采用有粘结预应力筋与无粘结预应力筋结合配筋的探讨［J］.工业建筑，1999，29(10):37－40.

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［10］TB10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

(编辑赵丽莹)