横撑式U形槽结构在某铁路工程中的应用研究

张世杰，宣立华，饶　增

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

横撑式U形槽结构在某铁路工程中的应用研究

张世杰，宣立华，饶增

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

摘要：U形槽结构已在很多工程建设中得到广泛应用，但是当U形槽结构跨度较大、边墙较高(一般大于12 m)、外部荷载较大时，采用常规形式的U形槽结构无法满足设计需要，通过在U形槽结构内增加横向支撑的构件，改变结构整体的受力情况，从而满足工程设计需要。结合某铁路横撑式U形槽工点设计过程，从结构荷载分析、模型受力分析、结构尺寸检算、结构配筋计算、结构裂缝验算及抗浮计算6个方面对横撑式U形槽结构设计进行详细介绍，为横撑式U形槽结构的推广应用提供参考和借鉴。

关键词：铁路路基；U形槽；结构设计

U形槽结构已经在高地下水位路堑、公路下穿引道等工程中得到了广泛的应用，随着我国高速铁路及城际轨道交通项目的快速发展，为了使铁路线路更好地与城市规划相结合，通常采用地下隧道工程通过城市建筑密集地带，隧道进出口部分采用U形槽结构过渡的方式在工程中比较常见，但是由于高速铁路线间距较大、路基面较宽、隧道进出口处挖深大，地下水位较高，同时还需考虑雨棚、声屏障支柱附加于边墙的外部荷载，使得采用常规U形槽结构设计计算得到的结构中，U形槽边墙、底板结构尺寸较大，造成工程结构设计不合理。横撑式U形槽结构是在常规U形槽结构中，增加横撑构件，使U形槽结构受力发生改变，可以有效减小U形槽结构的截面尺寸，同时可以满足工程设计的需要，与常规形式的U形槽结构相比，更经济合理。以下通过某铁路横撑式U形槽工点设计，对其进行详细介绍该结构的计算过程，工点设计思路。

1工程概况

1.1场地概况

本工程位于华北平原的北端，地形平坦，地势较低，地面高程一般在50 m以下。沿线建筑物密集，城市干道较多，为避免铁路工程影响城市交通运输及道路规划设计，采用地下隧道方式通过，隧道进出口两端第四系地层较厚，地下水位较高，路基工程拟定采用钢筋混凝土U形槽结构[1-4]通过。

1.2地层岩性

场地工程范围内主要揭示以下地层：

人工填土、粉质黏土、粉土、粉砂及细圆砾土，各层土主要物理力学指标及地层分布情况详见图1、表1。

图1　工点地质纵断面(单位：m)

地层名称天然重度/(kN/m3)饱和重度/(kN/m3)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)人工填土19—11.520粉土19.920.88.522.4粉砂19.2—5.631.2粉质黏土20.120.523.518.4

1.3水文地质

工点范围地下水位埋深6.0～7.0 m，主要受大气降水补给，其次为管沟渗漏补给，地下水对钢筋混凝土结构化学侵蚀环境作用等级为H1。

2结构设计

2.1设计方法

带横撑的U形槽结构应分别按承载力能力极限状态及正常使用极限状态设计[5]，可采用平面力系建立模型，通过结构受力分析后，再进行配筋计算、裂缝检算及抗浮检算，最终得到比较详尽可靠的结构数据，为工程设计所用。

2.2荷载分类

结构永久荷载分为：U形槽结构边墙外土压力(水土合算)、边墙上附属设施(声屏障)重力。

结构可变荷载分为：U形槽结构边墙两侧汽车荷载、边墙附属设施声屏障风荷载、机车行驶气动力。

2.3荷载组合

(1)当U形槽结构按承载能力极限状态设计时，荷载按基本组合[6]设计，按式(1)、式(2)计算

(1)

式中γ0——结构重要性系数；

Sd——荷载组合的效应设计值，kN；

Rd——结构构件抗力的设计值，kN。

(2)

式中γGj——第j个永久荷载的分项系数；

γQi——第i个可变荷载的分项系数；

SGjk——按第j个永久荷载标准值Gjk计算的荷载效应值，kN；

SQik——按第i个可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值，kN；

γLi——第i个可变荷载考虑设计使用年限的调整系数；

ψci——第i个可变荷载的组合值系数；

m——参与组合的永久荷载数；

n——参与组合的可变荷载数。

本U形槽结构设计时，永久荷载分项系数γG取1.35；可变荷载分项系数γQ取1.40，结构设计使用年限调整系数γLi，按使用年限为100年，取1.1，可变荷载的组合值系数ψci取0.85。

(2)当U形槽结构按正常使用极限状态设计时，荷载可按准永久组合设计，按式(3)、式(4)计算

(3)

式中C——结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值，kN；

Sd——荷载组合的效应设计，kN；

(4)

式中ψqi——第i个可变荷载准永久值系数，本U形槽结构设计时，可变荷载准永久值系数ψqi取0.8。

2.4拟定结构的材料及尺寸

(1)结构材料：C40混凝土，主筋及架立筋为HRB400型，箍筋为HPB300型。

(2)结构跨度及边墙、底板尺寸：综合考虑双线铁路线间距、平面曲线路基加宽值及结构内水沟布置形式等因素，拟定U形槽结构跨度宽13.74 m；取U形槽埋深最大处计算，边墙高13.62 m，底宽1.0 m，采用直立式；底板厚1.2 m，边墙两侧外延0.8 m。

(3)横撑位置及结构尺寸：综合考虑轨道结构高度、结构内路基形式及接触网允许净空等因素，拟定于距结构底板顶面9.4 m位置设横撑，截面0.8 m(高)×0.6 m(宽)，沿线路方向每3 m设1道。结构尺寸详见图2、图3。

图2　结构横剖面(单位：m)

图3　结构俯视(单位：m)

(4)土压力系数及地基系数

①土压力系数[7]：U形槽结构刚度大，变形小，边墙顶绕边墙与底板的交点转动位移一般小于产生主动土压力所需的位移量，因此边墙墙背土体土压力系数采用静止土压力系数，取0.45。

②地基系数[8]：U形槽结构底为第四系粉质黏土、粉土地基，基础与地基刚度相差较大，故可按Winkler地基模型[9-10]考虑地基反力，取地基系数8MN/m。

(5)结构外部受力

①U形槽外边墙静止土压力强度

σ0=k0γh

式中k0——静止土压力系数，取0.45。

②边墙外地面大型车辆荷载侧压力

E1=k0q

式中：q——车辆荷载，均匀分布，取22 kN/m2。

③边墙附属结构(声屏障)外力：水平力F1=±27 kN，重力F2=±25 kN，弯矩M=±37 kN·m。

结构受力分布详见图4。

图4　结构受力示意(单位：m)

2.5计算结果

对U形槽结构分别在承载能力极限状态、正常使用极限状态下分析，分别得出两种状态下结构的内力及弯矩图，详见图5、图6。

图5　承载能力极限状态下结构弯矩图(单位：kN·m)

图6　正常使用极限状态下结构弯矩图(单位：kN·m)

2.6配筋计算及验算

(1)计算

U形槽结构边墙、底板及横撑均可按单筋矩形截面受弯构件正截面受弯承载力计算[11]，按式(5)、式(6)计算

(5)

(6)

式中α1——等效矩形应力图系数，取1.0；

fc——混凝土强度设计值，MPa；

b——截面宽度，mm；

x——受压区高度，mm；

fy—钢筋强度设计值，MPa；

h0—截面有效高度，mm。

其中，ξ为相对受压区高度。得到ξ=0.048<ξb=0.518，其中ξb为界限相对受压区高度，满足适筋要求，再由公式

其中，γs为内力矩的内力臂系数。

得As=2 908 mm2，可选用10C22(As=3 801 mm2)。同理可得出边墙及横撑的配筋计算结果：边墙选用10C22(As=3 801 mm2)；横撑上部选用10C22(As=3 801 mm2)，下部选用8C22(As=3 041 mm2)。

(2)验算是否超筋或少筋破坏

2.7结构裂缝验算

U形槽结构需在正常使用极限状态下，应按式(7)对结构进行受拉边缘应力裂缝宽度验算

(7)

式中αcr——构件受力特征系数；

ψ——裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；

σs——按荷载准永久组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉普通钢筋应力，MPa；

Es——钢筋弹性模量，MPa；

Cs——最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离，mm；

deq——受拉区纵向钢筋的等效直径，mm；

pte——按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋的配筋率。

计算后分别得到U形槽结构横撑、边墙及底板的最大裂缝宽度[12]，见表2。

表2　结构最大裂缝数值

2.8抗浮稳定验算

抗浮稳定系数按式(8)计算

(8)

式中Kf——抗浮稳定系数；

G——U形槽结构及附属设施自重，kN；

Ff——U形槽结构所受浮力，不考虑折减，kN；

[Kf]——抗浮安全系数，取1.1。

得Kf=1.27，满足设计要求。

3基坑支护及止水设计

工点位于城市建筑群中，两侧建筑高耸密集，场地无放坡开挖条件，根据计算，基坑采用φ1.0 m的C35钢筋混凝土灌注桩+钢管内置撑体系支护，排桩φ1.0 m，间距1.4 m，灌注桩内设两道支撑，第1道钢支撑支撑于冠梁上，第2道钢支撑通过钢围檩支撑在围护桩上，钢支撑采用直径609 mm，厚14 mm的钢管。灌注桩间做旋喷桩止水，旋喷桩桩径0.8 m，咬合0.2 m。

4结语

结合横撑式U形槽结构的设计过程，详细介绍横撑式U形槽结构的设计思路及方法，通过在承载能力极限状态及正常使用极限状态下的计算，得到的结构配筋计算结果及最大裂缝宽度结果均满足设计要求，而且结构截面尺寸相对合理可靠，为今后该类结构的设计提供了借鉴经验。

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The Application of Lateral Support U-shape Groove Structure in Railway Engineering

ZHANG Shi-jie， XUAN Li-hua， RAO Zeng

(China Railway Engineering Design and Consultant Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

Abstract：The U-shape groove structure has been widely used in many construction projects. However， when the span of the u-shape groove structure is lager， the sidewall is higher， usually more than 12m， and external pressure is bigger the commonly used u-shape design fails to meet the design standard. Meanwhile， it is possible to add a lateral support at a certain level inside the former u-shape structure to change the stress of the structure and meet the requirements for design. This paper addresses the additional support from such six different aspects as structural load analysis， module pressure calculation， structure measurement checking， structural reinforcement calculation， structure fracture checking and anti-floating calculation， which serves to provide references for its application.

Key words：Railway subgrade; U-shape groove; Structure design

中图分类号：U213.1

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.014

文章编号：1004-2954(2015)06-0060-04

作者简介：张世杰(1981—)，男，工程师，2005年毕业于石家庄经济学院，工学学士。

收稿日期：2014-11-02； 修回日期：2014-11-14