青岛蓝色硅谷城际轨道交通U形梁的设计

刘红绪

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安　710043)



青岛蓝色硅谷城际轨道交通U形梁的设计

刘红绪

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

摘要:U形梁作为一种开口壳体结构，其空间受力特性复杂，本文结合青岛蓝色硅谷城际轨道交通高架区间U形梁的特点，采用BSAS软件和Midas/Civil分别建立平面杆系模型和空间三维实体单元模型进行分析对比，结果显示，U形梁截面应力表现为不均匀性，实体单元应力安全储备值小于平面杆系模型。通过分析比较U形梁的受力特征，确认了结构的应力储备，对类似工程设计具有一定的借鉴意义。

关键词:U形梁结构设计应力储备杆系模型实体模型

1　工程概况

青岛蓝色硅谷轨道交通工程起点为苗岭路和深圳路交口处，沿苗岭路、滨海大道、领海路、皋虞河向北，终点为即墨市大桥盐场，全长58. 44 km。其中高架段长约47 km，占线路总长的80%，线路预留经田横镇延伸至海阳市的条件。沿线自然环境优美，规划为海洋科技创新及成果孵化带，对环境和景观要求高，建设工期短。高架区间确定采用的桥式结构，要求运架方式较为灵活，受车站及节点桥施工干扰小，降噪效果好，结构简洁、美观，最终选用单线简支U形梁并置(小U形梁)方案［1］。

2　主要技术标准

1)设计使用年限:主体结构为100年。

2)线路最小曲线半径: 450 m。

3)最大线路纵坡: 29‰。

4)线间距:直线段5. 0 m;曲线段分5. 0 m及5. 1 m两种。

5)车辆型号: B型车，4辆编组，最高行车速度120 km/h。

6)区间供电方式采用接触轨授流。

7)地震烈度:抗震设防烈度为6度，地震动峰值加速度值为0. 05g。

3　结构构造

高架桥采用整孔预制预应力混凝土简支U形梁，标准跨度30 m，梁型分5. 0 m线间距直线段、5. 0 m线间距曲线段和5. 1 m线间距曲线段3种。U形梁外观整体呈U字形，为开口薄壁结构，腹板为弧形设计，支座中心距梁端0. 6 m，梁端1. 2 m为U形梁底板加厚区，梁高由1. 8 m增至1. 94 m，渐变段长0. 42 m。内外腹板厚分别为0. 260和0. 265 m，底板厚0. 26 m，梁端底板加厚至0. 4 m。

选择二期恒载大、截面宽的5. 1 m线间距曲线段U形梁计算，其上宽5. 52，下宽4. 18 m(梁端底板加厚区底宽4. 78 m)，外腹板顶宽1. 0 m，内腹板顶宽0. 57 m，线路中心线偏向内腹板侧，与底板中心线偏心0. 115 m。跨中与梁端截面分别如图1和图2所示。

图1跨中截面(单位: mm)

图2梁端截面(单位: mm)

4　结构分析

4. 1设计荷载

1)恒载

自重:预应力混凝土重度取26. 5 kN/m3。

桥面附属设施二期恒载集度采用32 kN/m。

支座安装及架梁时，相邻两支点不均匀沉降Δ= 10 mm。

2)活载

青岛蓝色硅谷轨道交通工程列车设计荷载图式如图3。地铁车辆竖向荷载应按其实际轴重和排列计算，其动力系数取1 +μ，μ按现行《铁路桥涵设计基本规范》规定的计算值乘以0. 8［2］，即30 m U形梁活载动力系数取值为1. 178。

3)附加力

风力:工点范围内百年一遇按风速50 m/s计算。基本风压800 Pa。

温度变化影响力: U形梁温度荷载模式考虑整体升温25℃，降温－30℃;考虑外侧腹板局部升温5℃;不均匀升温按腹板顶至底板由8℃线性变化至4℃考虑［3］。

4. 2 U形梁平面杆系计算

采用全预应力理论设计。钢绞线采用符合GB 5224标准的φs15. 2 mm低松弛钢绞线，抗拉强度标准值fpk= 1 860 MPa，弹性模量Ep= 1. 95× 105MPa。

U形梁底板束采用8根10φs15. 2 mm、腹板束采用2根7φs15. 2 mm低松弛钢绞线，锚具分别采用M15-10和M15-7，金属波纹管内径分别为90 mm和70 mm。底板及腹板预应力筋中心线到底板底的距离分别为120 mm和115 mm。其预应力钢束布置如图4、图5所示。

图3列车设计荷载加载图式(长度单位: mm)

图4 1 /2跨钢束立面布置(单位: mm)

图5跨中截面预应力筋布置(单位: mm)

平面杆系主要计算结果见表1。

4. 3 U形梁空间实体单元模型分析

U形梁受力呈明显的空间受力特征［4-5］，平面杆系模型主要用于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，实体模型主要用于截面应力分布规律的研究，根据实体模型的计算结果对平面杆系模型及结构的总体应力储备进行调整。

1)荷载施加

U形梁为开口薄壁不对称结构，荷载的施加位置对其局部的受力影响较大。二期恒载包括轨道结构、桥面铺装、声屏障、电力电缆槽、信号电缆槽、疏散平台等，其施加位置应准确，以反映实际状况。

活载横向分布按道床宽度向下45°角扩算范围均布。轨道扣件模拟为弹簧支座，其纵向间距0. 6 m，竖向刚度按150 kN/cm考虑。由此建立节点模型，通过支反力关系近似得出活载的纵向分布关系(见图6)。

2)实体单元计算

空间实体单元模型采用Midas进行分析，分别选取跨中、1 /4截面及梁端截面进行检算，活载按对应截面的最不利影响线加载。预应力取平面计算结果中运营阶段对应截面位置，钢束有效预应力值等效预压力作为外力施加在实体模型上，得到实体单元模型中各结构关键点处的应力值。

以跨中截面为例，自重、主力及主+附作用下的截面应力云图分别如图7、图8、图9所示。

表1平面杆系模型计算结果

图8主力作用下跨中截面纵向应力云图(单位: MPa)

图9主+附作用下跨中截面纵向应力云图(单位: MPa)

从图中可知U形梁截面呈现不对称的特性，在主力作用下U形梁跨中截面全截面受压，其中外侧腹板下缘在主力、主+附作用下最小压应力分别为0. 9， 0. 6 MPa，满足规范要求。

最大压应力发生在内侧腹板上缘，主力、主+附作用下分别为12. 4和12. 6 MPa，满足规范要求，其中内外侧腹板顶压应力相差达4. 9～6. 6 MPa。

静活载作用下，梁体最大竖向位移在底板线路中心线偏内侧腹板侧，为7. 7 mm(向下)，内侧腹板竖向位移7. 8 mm (向下)，外侧腹板竖向位移4. 0 mm(向下)。

4. 4空间计算和平面计算的结果对比(表2)

表2平面杆系与空间实体单元分析的纵向应力对比MPa

由于U形梁截面的不对称及线路偏心的影响，空间实体单元模型截面应力表现为不均匀性，平面杆系模型计算得截面下缘最小压应力为1. 51 MPa，而实体单元在主力及主+附作用下底板压应力分别为2. 8～0. 9 MPa，2. 5～0. 6 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，但均满足规范要求。

4. 5横向配筋验算

横向活载动力系数按1. 4考虑，通过三维实体模型分析得出底板中最大横向名义拉应力，反算弯矩进行钢筋混凝土配筋。U形梁横向配筋详见表3，表4。

表3底板下缘配筋(主力)

表4底板下缘配筋(主+附)

由表中可见，混凝土，钢筋应力及裂缝验算满足设计规范要求。

5　小结

U形梁作为一种开口壳体结构，其空间受力复杂，用常规的杆系结构内力分析程序难以了解结构中局部应力的复杂分布状态。通过对青岛蓝色硅谷轨道交通高架区间U形梁进行平面杆系与空间实体单元对比分析，确认采用空间实体单元分析更符合结构实际情况。

参考文献

［1］刘红绪，赵会平．城际轨道交通U梁结构设计研究［R］．西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2013．

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部．GB 50157—2013地铁设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2013．

［3］吴讯，张鹏．轨道交通U形梁温度模式研究［J］．山西建筑，2008( 32) : 28-29．

［4］王彬力．城市轨道交通U型梁系统结构受力行为研究［D］．成都:西南交通大学，2008．

［5］赵建军，李伟．上海城市轨道交通高架区间U形梁设计与施工［J］．城市道桥与防洪，2009( 5) : 113-115．

(责任审编孟庆伶)

Design on U-shaped girder of Blue Silicon Valley intercity transit in Qingdao

LIU Hongxu

( China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710043，China)

Abstract:As an open shell structure，U -girder is complicated in terms of its spatial forces．T he characteristics of U -girder in the overhead area of the Blue Silicon Valley intercity rail transit in Qingdao were studied．A twodimensional link model and a spatial three-dimensional solid element model were respectively established by BSAS and M idas/civil．T he stress of U -girder was not uniformly distributed．And the stress safety reserve in the solid element model was less than that in the link model．By analyzing the stress characteristics of U -girder，the structural stress reserve is identified．T his analysis may be useful for the similar engineering design．

Key words:U -girder; Structure design; Stress reserve; Link model; Solid model

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0023-04

作者简介:刘红绪( 1980—)，男，工程师。

收稿日期:2015-06-09;修回日期: 2015-11-06

中图分类号:U441+．5

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．05