城市軌道交通連續U梁優化設計

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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形斷面的橋梁結構外形美觀、結構經濟、施工方便，是近年來快速發展的一種新結構形式。以青島地鐵人民路節點橋連續U梁設計為依托，對現有連續U梁截面進行優化。利用BSAS程序，通過建立平面桿系模型對2種不同截面的連續U梁進行計算對比，得出2種截面下全橋的變形和受力。在Midas中建立有限元實體模型，對優化截面連續U梁計算結果進行復核對比，發現通過優化連續U梁中支點截面特性，變相增加腹板高度，可以有效改善全橋縱向正應力及豎向變形，使全橋結構受力更科學合理，同時大大減少了預應力鋼束數量，節約了成本。

關鍵詞:軌道交通;U梁;數值計算;優化設計;結構分析 

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濟新區的軌道交通骨干線和快速線，全線高架區間標準梁采用單線U梁并置方案。跨越人民路時，受道路寬度、行車視距等因素影響，需采用40m跨度的橋梁結構跨越。考慮與簡支U梁銜接過渡的流暢性及美觀性要求，跨越人民路節點橋采用(30+40+30.95)m雙線連續U梁結構。

2常規連續U梁設計及存在問題

2.1常規連續

U梁設計思路U梁是一種梁板空間組合預應力結構，當列車荷載作用在橋面上時，荷載通過承軌臺傳給主梁，再由主梁傳到支座［1］。結構承載力和剛度隨著梁體跨度的增加而大幅降低，因為梁體跨度的增加，意味著在相同荷載作用下，梁體跨中最大彎矩會增加，則梁體跨中撓度就會相應增加［2］。由此可見，對于連續U梁，為保證梁體有一定的剛度，應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。由于疏散平臺及其他附屬結構的限制，梁高只能變相向下增加，通過適當增加底板厚度以改善結構受力性能

2.2常規連續

U梁結構設計目前連續U梁截面變高度常規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縮小底板寬度。本聯連續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結構優化思路及優化設計

3.1優化思路

受彎構件混凝土的壓應力計算公式為σc=MW0≤［σb］(1)W0=IxY1(2)式中:σc為混凝土壓應力，MPa;M為計算彎矩，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混凝土容許應力，MPa;Ix為截面慣性矩，m4;Y1為中性軸至梁底距離，m。根據式(1)、式(2)可知:為了保證結構全截面受壓，增加截面上下緣壓應力安全儲備值，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優化設計

連續U梁變高度截面優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縮小底板寬度。本聯連續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。優化設計梁體結構外輪廓線與常規設計保持一致。僅在中支點左右各12m范圍內設置后澆混凝土段，縱向設置20mm斷縫。后澆混凝土段不參與全橋結構受力，在結構計算時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在連續U梁全部鋼束張拉結束15d后一次澆筑成型

3.3優化結果

3.3.1截面特性對比

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

3.3.2預應力鋼束張拉形式及數量對比

連續U梁縱向按后張法全預應力理論設計。由于優化方案對全橋結構性能的有效提升，配束情況特別是通長底板束的鋼束布置大樣及數量變化很大。常規連續U梁設計中，變截面形式為邊跨向中支點處截面底板向下加厚，通長底板束卻沒有向下豎彎，而是距底板0.11m處水平布置。在底板鋼束通過中支點處有效利用率偏低，對頂板束產生了相互抵消的不利作用，鋼束整體布置形式不太合理。結果整體鋼束用量較大，強度安全系數偏高，造成鋼束浪費。優化后連續U梁截面底板厚度保持不變，底板鋼束豎彎線形與底板構造線形保持一致。底板鋼束由梁端伸長至距中支點中心5.5m處為止，中支點處截面無底板鋼束通過。優化后鋼束充分發揮作用，中支點區域內無底板鋼束通過，消除了對頂板鋼束的約束抵消作用，在減少底板鋼束的同時相應減少了頂板鋼束。全橋強度安全系數值較合理。優化后的結構腹板鋼束減少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。

3.3.3桿系模型計算結果比較

利用BSAS程序建立桿系模型，全橋共分為73個單元，74個節點。荷載組合分別以主力、主力+附加力進行組合，取最不利組合進行設計,常規連續U梁通過優化設計對變截面梁體變化方式、預應力鋼束張拉形式及布置等進行了調整。調整后可以看出在減少預應力鋼束數量的同時，全橋應力值分布更均衡，截面抗裂安全系數和強度安全系數明顯降低，撓度和徐變上拱值減小，結構受力更為科學合理。

4優化連續

U梁實體模型研究雙線連續U梁結構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明顯，如果單純依靠一般橋梁結構的平面桿系結構分析程序，難以準確分析結構的實際受力狀況［5］。為了保證設計施工的安全性，針對優化方案，還進行了空間三維實體單元模型分析，進一步研究截面應力分布規律，校核平面桿系模型及結構的應力分布情況。

4.1空間實體計算模型的建立

優化方案采用FEA和Midas2種軟件建立空間實體模型。模型中采用實體單元模擬混凝土，采用桁架單元模擬預應力鋼束，以保證如實模擬結構形狀及尺寸的變化，準確模擬邊界條件，確保最終計算結果的精確性。

4.2空間實體模型計算結果

經分析，中跨跨中和中墩支點位置受力較為不利，故取該處截面進行計算分析。

4.3平面桿系模型與空間實體模型計算結果對比

由于U梁截面為對稱截面，空間實體單元模型U梁截面應力表現出均勻性［6］。平面桿系模型計算得到截面上緣最大壓應力為6.53MPa，下緣最小壓應力為2.12MPa，而空間實體單元模型外腹板上緣最大壓應力為6.91MPa，底板最小壓應力為2.03MPa，實體單元應力安全儲備值要小于平面桿系模型計算結果［7］。2種模型計算結果比較吻合，均滿足規范要求。

5結論

1)通過優化連續U梁中支點截面特性，變相增加腹板高度，有效改善了全橋縱向正應力及豎向變形，使全橋結構受力更為科學合理，同時大大減少了預應力鋼束數量，提高全橋經濟性。2)空間實體單元模型的平均縱向正應力結果與平面桿系模型的結果基本吻合，因此采用平面桿系模型進行縱向設計是可行的，但在設計時要考慮到頂、底板局部應力集中情況，因此在平面桿系模型計算時要考慮一定的安全系數。

參考文獻

［1］馬廣，李洪志，邢繼勝．高速鐵路32m簡支槽型梁設計研究［J］．山西建筑，2012，38(35):184-185．

［2］胡匡章，江新元，陸光閭．槽型梁［M］．北京:中國鐵道出版社，1987．

［3］吳為愛．32m預應力鋼筋混凝土槽型梁施工技術研究［J］．鐵道工程學報，2004(2):49-52．

［4］朱琛．迪拜地鐵線輕軌高架橋設計［J］．世界橋梁，2011(2):1-4．

［5］賀恩懷．槽型梁在城市軌道交通工程中的應用［J］．鐵道工程學報，2003(3):68-70．

［6］中華人民共和國鐵道部．TB10621—2014高速鐵路設計規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2014．

［7］中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局．GB50157—2013地鐵設計規范［S］．北京:中國計劃出版社，2013．

作者:吳煒 單位:蘭州鐵道設計院有限公司