大直径钢绞线在城市轨道交通工程中的应用

2019-08-21岳章胜蒋海军王利伟

城市轨道交通研究 2019年8期

岳章胜蒋海军王利伟

(青岛市市政工程设计研究院有限责任公司,266071,青岛//第一作者,高级工程师)

1 工程概述

青岛地铁8号线工程作为青岛市青岛北站、红岛站、胶东国际机场三大综合交通枢纽的集散线，全长60.8 km,最高运行速度120 km/h。其高架段长约6.5 km，与济青高铁并行，间距约25 m。济青高铁采用长32.7 m的标准简支箱梁，青岛地铁8号线高架段与济青高铁对孔布置，采用长32.7 m的标准U形梁。

预应力混凝土U形梁是一种下承式桥梁结构形式，与箱梁、T梁、板梁相比，U形梁具有有效建筑高度低、外形美观,以及能阻止车辆出轨及倾覆下落等优点[1]。青岛地铁8号线工程高架段标准梁采用混张法预应力混凝土简支U形梁，标准梁长32.7 m，线间距5.0 m。U形梁腹板为弧形设计，支座中心线距梁端0.6 m。梁端1.2 m为U形梁底板加厚区;梁高由1.90 m增至2.04 m，渐变段长0.42 m;跨中内外腹板厚均为0.28 m，支点处内外腹板厚均为0.30 m，底板厚0.26 m，梁端底板加厚至0.40 m;梁的上口宽5.42 m，下宽3.98 m(梁端底板加厚区底宽4.52 m)，外腹板顶宽1.00 m，内腹板顶宽0.72 m;线路中心线偏向内腹板侧，与底板中心线偏心0.14 m。梁端横截面见图1。跨中横截面见图2。

图1 梁端横断面图

本文通过对U形梁横截面采用φ15.2 mm钢绞线和φ17.8 mm大直径钢绞线进行布置对比，并对长32.7 m U形梁进行平面杆系计算和空间实体模型分析，最终采用φ17.8 mm大直径钢绞线混张法的施工工艺。

2 U形梁钢绞线结构构造对比

国内钢绞线的规格按结构分主要有1×2、1×3、1×7、1×19四种[2]，即2根、3根、7根、19根钢丝捻制的钢绞线。目前国内基本上采用φ15.2 mm(1×7)钢绞线，大直径钢绞线仅在采矿行业少量采用[3]。GB/T 5224—2014《预应力混凝土用钢绞线》中虽然加入了φ17.8 mm的钢绞线，但目前国内工程中通常应用的钢绞线直径仍较小。φ15.2 mm和φ17.8 mm钢绞线结构参数和力学性能对比分别见表1和表2。

图2 跨中横断面图

表1 1×7钢绞线结构参数

表2 1×7钢绞线结构力学性能

从表2可以看出，φ15.2 mm钢绞线与φ17.8 mm钢绞线技术指标要求基本相同。由于U形梁截面宽度较窄，先张钢绞线需避让泄水孔、吊装孔、抗震挡块锚栓，因此钢绞线布置宽度十分有限。U形梁纵向按照全预应力体系进行计算[4]。32.7 m长U形梁采用混张法施工工艺。由于后张钢束张拉会引起先张钢束的预应力损失，因此先张钢束的有效应力需扣除此部分预应力损失。若采用φ17.8 mm大直径钢绞线，共需88根;其中U形梁腹板采用2束4股后张钢绞线，底板采用80根先张钢绞线，底板跨中钢束最小间距85 mm。若采用φ15.2 mm钢绞线，其中U形梁腹板需采用2束6股后张钢绞线，底板需采用110根先张钢绞线，底板跨中钢束最小间距55 mm。考虑到采用φ15.2 mm钢绞线时钢束间距太小，施工操作不便，青岛地铁8号线U形梁全部采用φ17.8 mm大直径钢绞线。底板及腹板布设3层预应力筋。底板底至第1层预应力筋中心线的距离为82 mm，第一层预应力筋中心线至第二层预应力筋中心线距离为75 mm，第二层预应力筋中心线至第三层预应力筋中心线的距离为75 mm。后张腹板钢束采用2束4股φ17.8 mm钢绞线。其中28束为通长束，28束两侧梁端失效长度为2.4 m，26束两侧梁端失效长度为5.0 m。预应力钢束布置如图3、图4所示。

尺寸单位：mm

图3φ17.8 mm钢绞线跨中横断面布置图

尺寸单位：mm

图4φ17.8 mm钢绞线端部横断面布置图

采用φ17.8 mm大直径钢绞线预制的U形梁端部钢束间距较大，便于钢筋绑扎和钢束施工，端部开槽处施工质量容易控制。

城市轨道交通U 形梁的受力为薄壁开口构件，抗扭刚度小，结构受力复杂，易在底板上出现“剪力滞”现象[5]。由于剪力滞效应的存在，使得主梁的挠度和纵向正应力在同一截面上分布不均匀，平面杆系模型无法反映力在横向的具体分布，需要建立实体单元模型来分析其空间受力情况。通过采用BSAS和MIDAS桥梁分析软件分别进行杆系和实体建模分析。三维实体模型及跨中截面纵向应力云图如图5～8所示。

单位:MPa

平面杆系和空间实体单元模型应力计算结果对比见表3。从表3中可以看出，传统的平面杆系结构已无法反映结构应力分布情况。平面杆系模型计算的主力作用下截面下缘最小压应力为2.34 MPa，而实体单元模型计算的下缘最小压应力为 2.0 MPa，实体单元应力安全储备值要小于平面杆系模型计算结果，但均满足TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》要求。

表3 U形梁纵向应力计算结果

3 φ 17.8 mm钢绞线工程参数

由于目前国内无φ17.8 mm大直径钢绞线应用先例，因此在青岛地铁8号线U形梁施工过程中，做了大量的试验工作，积累了φ17.8 mm大直径钢绞线的第一手资料。φ17.8 mm钢绞线力学性能实测参数见表4[6]。

表4 φ 17.8 mm钢绞线力学性能实测参数

检测结果表明，φ17.8 mm钢绞线的力学性能与常规φ15.2 mm钢绞线基本相似，其力学性能满足GB/T5224—2014《预应力混凝土用钢绞线》的各项指标要求。

腹板束采用4股φ17.8 mm后张钢绞线，施工前对φ17.8 mm大直径钢绞线进行了摩阻系数试验。钢绞线孔道偏差系数及摩阻系数检测报告见表5[7]。

检测结果表明，φ17.8 mm大直径钢绞线孔道偏差系数以及锚口、喇叭口的损失率与φ15.2 mm直径钢绞线相差不大，均在规定的范围内。φ17.8 mm大直径钢绞线孔道摩阻系数比常规钢绞线大，与波纹管间的孔道摩阻系数大于TB10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》规定的限值，可能是由于直径大的钢绞线周长较长以及与管道接触面积大的原因。

表5 φ 17.8 mm钢绞线钢束与波纹管间孔道摩阻系数参数表

由于钢绞线需要分级张拉，φ17.8 mm大直径钢绞线初张力无实际工程经验借鉴，施工前对φ17.8 mm大直径钢绞线进行了初张力试验。钢绞线初张力检测结果为20%σcon[技术指标为(10%～25%)σcon][8]。常规φ15.2 mm钢绞线初张力一般为(10%～15%)σcon[9]。试验结果表明，φ17.8 mm大直径钢绞线初张力合理值为20%σcon，较φ15.2 mm钢绞线略大。

4 U形梁静载试验结果

4.1 梁体刚度评定

U形梁架设前需进行设计活载作用下的静载试验。32.7 m长U形梁计算跨径为31.4 m，跨中挠度计算值为9.8 mm。经静载试验,其实测跨中挠度最大值为9.5 mm(测点1)和9.2 mm(测点2)[10]，与计算值吻合良好;其挠跨比为1/3 305<1/2 000，满足GB 5015—2013《地铁设计规范》[11]中的要求。