轨道交通混张法预制U型梁力学性能研究

杨一才 宋郁民 万淑敏 王成波 张启研

（1.青岛地铁八号线有限公司, 山东 青岛 266100；2.上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海 201620；3.青岛市市政工程设计研究院有限责任公司，山东 青岛 266100）

0 引言

轨道交通U 型梁作为一种新型的槽型梁，不但具有槽型梁的受力性能，而且以其独有的隔音降噪效果好、与周围建筑物和自然环境的匹配度高、节约建材和运营成本、断面空间利用率高、安全防护性高等优点[1-6]，在国内外广泛应用[7-9]。目前，国内外专家学者对混张法预制T 型梁和箱型梁开展了部分研究，但是并未对混张法预制U 型梁的力学性能进行深入和系统的研究。本文以国内首次采用混张法预制U 型梁的青岛地铁8号线为工程背景，对混张法预制U型梁的力学性能进行研究。

1 工程概况

青岛地铁8号线全线长约61.4km，共设车站18座。其中胶东机场站~胶东镇站区间的高架桥全部采用U型梁，其中32.7m预制U型梁是采用先后张混张工艺的预应力混凝土单线U型梁。

单线U 型梁结构顶宽5.42m，开口宽3.7m，跨中截面梁高1.9m，底板厚为0.26m，支点截面梁高2.04m，底板厚0.4m，梁端到支座中心线0.6m；外侧腹板采用弧形，内腹板采用斜腹板，跨中腹板厚0.28m，端支点腹板厚度0.3m。32.7m 混张法预制U 型梁支点截面和跨中截面如图1和图2所示。

图1 跨径32.7m混张法预制U型梁支点截面图

图2 跨径32.7m混张法预制U型梁跨中截面图

2 有限元分析模型建立

混张、先张、后张法预制的3种预制U 型梁预应力钢筋布置情况见表1。

表1 U型梁钢束信息

依据3 种预制U 型梁的预应力钢束位置和张拉控制应力情况，利用大型实体分析软件Midas FEA 建立实体单元模型，对3种U型梁进行力学性能对比分析。

3 混张、先张、后张法U型梁力学性能对比分析

3.1 跨中弯矩列车最不利加载受力分析

依据简支梁的跨中弯矩影响线，将列车活载按照最不利加载位置布置，同时考虑二期恒载的作用，完全模拟预制U型梁在实际运营状况下的受力情况，对3种U型梁进行力学性能对比分析。

3.1.1 底板底面应力分析

3种预制U型梁在自重、预应力荷载、二期恒载和最不利列车活载作用下，其底板底面的纵向应力如图3～图5所示。

图3 混张法预制U梁纵向应力图（单位：MPa）

图4 先张法预制U型梁纵向应力图（单位：MPa）

图5 后张法预制U型梁纵向应力图（单位：MPa）

提取3种U型梁支点、1/8跨径、1/4跨径、3/8跨径、跨中、5/8跨径、3/4跨径、7/8跨径截面处的纵向应力值，见表2所示。对表2数据进行分析可知：

表2 U型梁纵向应力值和位移值

（1）混张、先张、后张法预制U型梁底板底面的最小纵向压应力均出现在跨中截面处，大小分别为-5.37MPa、-5.55MPa、-5.35MPa。3种预制U型梁的纵向压应力由跨中截面向支点截面逐渐增大。

（2）计算跨径同为31.4m的3种预制U型梁，先张法预制U型梁底板底面各截面的纵向压应力均大于其他2种预制U型梁对应截面的纵向压应力。3种预制U型梁各截面处底板底面的纵向应力较接近。

3.1.2 竖向位移分析

3种预制U型梁在自重、预应力荷载、二期恒载和最不利列车活载作用下，提取3种U型梁支点、1/8跨径、1/4跨径、3/8跨径、跨中、5/8跨径、3/4跨径、7/8跨径截面处的位移值，见表2所示。对表3数据进行分析可知：

表3 U型梁不同截面处的剪应力值和位移值（单位：MPa）

（1）混张、先张、后张法预制U型梁最大竖向向下位移均出现在跨中截面处，大小分别为-5.20mm、-4.92mm、-5.58mm。3 种预制U 型梁位移值由跨中向支点逐渐减小为0。

（2）计算跨径同为31.4m的3种预制U型梁，先张法预制U型梁各截面的竖向向下位移值均小于其他2种预制U型梁对应截面的竖向位移值。在计算跨径范围内，3种预制U型梁各截面的竖向位移值非常接近。

3.2 支点剪力列车最不利加载受力分析

依据简支梁的支点剪力影响线，将列车活载按照最不利加载位置布置，同时考虑二期恒载的作用，完全模拟预制U 型梁在实际运营状况下的受力情况，对3种U型梁进行力学性能对比分析。

3.2.1 剪应力分析

3种预制U型梁在自重、预应力荷载、二期恒载和最不利列车活载作用下，其各截面的剪应力如图6~图8所示。

图6 混张法预制U型梁剪应力图（单位：MPa）

图7 先张法预制U型梁剪应力图（单位：MPa）

图8 后张法预制U型梁剪应力图（单位：MPa）

提取3 种U 型梁支点、1/8 跨径、1/4 跨径、3/8 跨径、跨中、5/8跨径、3/4跨径、7/8跨径截面处的剪应力值，见表3。对表3数据进行分析可知：

（1）混张、先张、后张法预制U 型梁的最大剪应力均出现在支点截面处，大小分别为1.58MPa、1.55MPa、1.11MPa。剪应力由支点截面向跨中截面逐渐减小为0。

（2）计算跨径同为31.4m 的3 种预制U 型梁，先张法预制U 型梁各截面的剪应力均大于其他2 种预制U型梁对应截面的剪应力。混张法预制U 型梁的剪应力介于先张法预制U 型梁和后张法预制U 型梁之间。在1/4跨~3/4跨范围内，3种U型梁剪应力非常接近。

3.2.2 竖向位移分析

3 种预制U 型梁在自重、预应力荷载、二期恒载和最不利列车活载作用下，提取3 种U 型梁支点、1/8 跨径、1/4跨径、3/8跨径、跨中、5/8跨径、3/4跨径、7/8跨径截面处的位移值，见表3。对表3数据进行分析可知：

（1）3种预制U 型梁最大竖向向下位移均出现在跨中截面处，大小分别为-4.87mm、-4.60mm、-5.25mm。3种预制U型梁位移值由跨中向支点逐渐减小为0。

（2）计算跨径同为31.4m的3种预制U型梁，先张法预制U型梁各截面的竖向向下位移值均小于其他2种预制U型梁对应截面的竖向位移值。计算跨径内，后张法预制U型梁的竖向位移值均大于混张法预制U型梁位移值。先张法预制U型梁和后张法预制U型梁在跨中截面处出现最大竖向向下位移值差值，为0.38mm。

4 结束语

（1）在跨中弯矩列车最不利荷载作用或支点剪力列车最不利荷载作用下，混张法预制U 型梁各截面应力值与先张法预制U 型梁各截面应力值非常接近，并优于后张法预制U 型梁各截面应力值。表明在实际运营荷载作用下，混张法预制U型梁的强度较高。

（2）在跨中弯矩列车最不利荷载作用或支点剪力列车最不利荷载作用下，混张法预制U 型梁各截面位移值与先张法预制U 型梁各截面位移值非常接近，并小于后张法预制U 型梁各截面应力值。表明在实际运营荷载作用下，混张法预制U型梁的刚度较大。

（3）在支点剪力列车最不利荷载作用下，混张法预制U 型梁各截面剪应力与后张法预制U 型梁各截面剪应力非常接近，小于先张法预制U 型梁的剪应力，表明混张法预制U 型梁中弯起的后张钢绞线能够起到很好的抗剪作用。