上海城轨交通高架区间U形梁设计与施工
2010-03-18 21:06
上海城市轨道交通高架区间U形梁设计与施工
摘要：该文以上海轨道交通某高架区间U形梁结构工程为研究对象，基于原型梁的加载实验，验证U形梁结构的可靠性。结合U形梁的特点，介绍了施工中梁体混凝土、预制模具体系、预应力加载、U形梁运输、架设过程中难点及关键工艺，对类似工程的设计与施工具有参考价值。
关键词：轨道交通；高架；U形梁；试验研究；上海
0 引言
据文献[1-3]所述，U梁是适合于轨道交通高架结构要求，具有较小建筑高度的结构型式之一。U梁跨径的变化只影响两侧主梁的梁高，基本上不影响U梁道床板面的建筑高度,便于轨道交通系统在线路纵断面上作定线布置。轨道交通车辆行驶于U梁两腹板中间，轮轨走行系统的噪声受到两侧主梁上翼缘及腹板阻隔，在一定程度上减少了车辆噪声对周围环境的影响，相对箱形梁，U梁无箱体共鸣噪声。两侧主梁能防止出轨列车倾覆下落，给行车安全提供可靠的保证；紧急情况下，主梁上翼还可以作为旅客紧急疏散通道的作用。
高架轨道交通上部结构形式由传统的箱梁逐步优化为薄壁开口截面U梁。因可以整跨U梁安装，工艺先进适用，经济合理，故安装速度可达到每天1跨[4]，是节段梁拼装施工的3~4倍。
1 工程概况
该高架区间段上部结构采用单线单槽薄壁结构简支小U梁结构设计方案，梁高1.8 m，标准梁宽5.224 m，车站段梁宽4.713 m。共有211跨U梁采用现场预制现浇。U型梁标准跨长度30 m，重量150 t。非标准跨长度16~29 m不等，跨径大于30 m的仍使用30 m标准梁，梁端设置拓展盖梁（如图1所示）。
2 U梁设计要点
2.1 结构形式及材质选择
U梁设计采用直线后张法预应力混凝土简支梁，腹板、底板厚240 mm，上翼板厚250 mm，上翼板宽500 mm（内侧）、700 mm（外侧），桥面上口宽5.224 m，底板宽3.634 m，全桥不设横梁和横隔板。材料采用C55混凝土，纵向预应力钢束均为直线束，选用Φ15@20高强度低松弛预应力钢绞线（GB/T 5224-2003技术标准），标准强度fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105 MPa。两端张拉，张拉锚下控制应力σcon=1 300 MPa，锚具符合《预应力筋用锚具夹具和连接器标准》（GB/T 14370-2000）。波纹管采用塑料波纹管。
2.2 U梁加载实验
对原型U梁加载试验分析验证：（条件I）在设计荷载作用下，检测桥梁结构的强度、刚度和抗裂性；（条件II）在开裂荷载作用下，检测桥梁结构的强度、刚度和抗裂性；（条件III）在2倍和2.5倍设计荷载作用下，检测桥梁结构的强度、刚度。通过对试验结果进行分析，按有关桥梁规范来评价桥梁结构的强度、刚度、抗裂性和承载能力等指标是否满足规范设计要求。
2.2.1 数据分析
U 梁加载实验数据见表1所示。
2.2.2 结果评价
据文献[5]所述试验梁破坏呈典型的受弯构件延性破坏，安全系数＞2.5，纵向抗裂性安全系数1.3，该梁模拟运营荷载下混凝土应力满足规范要求。试验梁静活载下，挠跨比1/2 750＜1/2 000。梁底板横向无预应力体系，开裂较早，裂缝宽度满足规范要求。梁横向频率可达5.0 Hz以上＞L/30。
U梁加载后的实验梁刚度评价见表2所示。
2.3 抗弯分析
U梁抗弯计算的关键问题和特点是计算模型的选定，然后是局部应力的处理。一般通过ROBOT，ANSYS有限元程序分析，验证U梁的行车道板全宽作为梁的下翼缘参与全截面抗弯。通过分析，U梁的下翼缘板大幅降低截面重心和下翼缘拉应力水平，故可节省抵消拉应力所需的预应力筋，加大上翼缘压应力水平而充分发挥混凝土的受压性能，截面更加合理。
2.4 抗扭分析
在平曲线上U梁受到风载、离心力、偏心力车垂直荷载、超高影响力、脱轨列车对上翼缘的水平冲击力等都将引起扭转。对于U梁开口截面在约束扭转分析中，截面将有因翘曲受阻而产生的正应力，此正应力沿截面高度分布不均引起杆件弯曲并伴随弯曲剪应力流，此剪应力流在截面形成二次扭矩。故有：约束扭转中的剪应力=自由扭转剪应力+弯曲剪应力（二次剪应力）；杆件截面扭矩=自由扭转扭矩+二次扭矩。
2.5 二维温度模型浅析
U梁属于简支结构，纵向可以自由变形，整体升降温对结构受力影响不大。但局部升温对结构的影响较大[6（]如图2所示）。腹板内侧和外侧均能接受光照，选取一个温度梯度。底板上侧可以接受光照而下侧不能，所以选取两个温度梯度。
3 U梁施工要点
3.1 梁体混凝土技术指标
鉴于U梁的特殊结构，首先在配合比设计中要考虑到100 a的耐久性要求。为改善混凝土和易性，提高混凝土性能，降低水泥用量，经过多次配合比试验，选用高效减水剂聚羧酸为外加剂，使得1 d，2 d，7 d强度分别达到18 MPa，24 MPa，55 MPa[7]。预应力张拉时梁体混凝土强度达到100%设计强度，弹性模量指标达到80%规范（TB10002.3-2005）指标[8]。
3.2 预制模具体系设计
预制模具体系由门架、内模、外模、端模和底模组成。模具拆装采用了外模横向移动脱模、内模转动脱模，然后模具整体纵向移动至下一生产台座，尽量不占用龙门吊（如图3所示）。
3.3 混凝土浇筑质量控制
钢筋及预埋件隐蔽工程验收后，对模板及支撑系统预检，合格后浇筑混凝土。混凝土浇筑从梁体两端开始，沿梁长向中间汇集，先底板后腹板，水平分层对称浇筑（如图4所示）。为了避免因浇筑腹板时底板承受过大压力而鼓胀，底板混凝土接近初凝但尚未初凝时开始腹板浇筑，使其衔接良好，按图4浇筑成型顺序依次浇注至U梁上翼缘。
3.4 预应力体系的建立
有效预应力体系的建立对构件的抗裂性能有显著作用，主要为预应力张拉、压浆及封锚。U梁为后张法预应力混凝土梁，预应力筋的张拉顺序为：（1）当混凝土达到50%设计强度，张拉第一批4根钢束，张拉控制应力为700 MPa；（2）混凝土强度达到100%设计强度，弹性模量达到80%设计值，二次张拉全部钢束依次对称张拉至1 300 MPa。
在张拉后48 h内进行压浆，在压浆前，必须试抽真空，真空泵抽成的真空度控制在-0.09～-0.1 MPa。当真空度达到并维持在-0.08 MPa左右时，启动真空泵，使灌浆压力达到0.5~0.7 MPa，出浆与入浆颜色一致后，关闭出浆阀门，对浆体施加正压，将浆体内游离状态的水尽量多压出，且从排气孔排出的水泥浆无气泡，无微沫浆，其颜色与入浆的颜色相同，压浆泵压力达到0.7 MPa左右，持压1~2 min，关闭灌浆泵。
封锚混凝土采用补偿收缩混凝土，符合设计要求，与梁体混凝土同种强度、无色差。
3.5 U梁的运输
U梁采用开口薄壁截面，横向抗扭刚度小，因此运输、安装过程中必须保证U梁四个支承点高度一致、受力均匀，以防止U梁破坏。
根据U梁重量、外形尺寸和运输道路环境，选用梅赛德斯———奔驰3354，前四轴线和后五轴线全液压平板车。前、后液压平板上各增设一个转盘机构且上置5 240 mm×900 mm×30 mm的两块翼板和5 240 mm×900 mm×16 mm三块腹板组合的承重横梁，材料选用30 mm和16 mm的16 Mn钢板。前四轴液压板转盘机构只带纵向倾角，后五轴线液压板转盘机构不带纵向倾角，两液压平板转盘机构均可360°旋转。直线行驶速度在5 km/h以下，转向行驶速度在3 km/h内。
3.6 U梁的吊装施工要点
根据施工现场实际条件，梁体吊装分三个专项方案，分别为：预制梁场内区段、一般区段和跨河区段U梁吊装。预制梁场内区段采用场内龙门吊，一般区段采用200 t双机抬吊，跨河区段采用750 t大型单机起吊。
3.6.1 专用吊具设计
（1）龙门吊或双机抬吊，制作小平衡梁专用吊具（如图5所示）。小平衡梁采用双拼28 a槽钢加工，为适应标准段和车站段两种梁宽，分别加工3.6 m和3.1 m两种长度。小平衡梁上部沿60°方向设置两个吊耳。
（2）大型单机起吊，制作大、小平衡梁专用吊具（如图6所示）。大平衡梁长30 m，宽1.4 m，高1.4 m，长度可以根据U型梁的长度进行调整，最小调整长度为3 m。在大平衡梁中点安置一根调节钢丝绳，起吊时有一个向上的拉力以防下挠产生。主平衡梁上部吊装时，钢丝绳与水平线的角度不得小于60°。
3.6.2 就位及调整
（1）就位步骤。U梁在吊起腾空300 mm后→旋转一定的角度→在运梁车上进行盆式支座的安装→吊装到指定位置上空→吊机缓缓松钩→由4台50 t液压千斤顶受力→U梁调整标高、里程、轴线→调整好后用临时支座固定（配好垫板和斜垫铁高度）→复核安装尺寸→合格后4台50 t液压千斤顶受力同步卸载→撤离千斤顶→支座灌浆位置搭设模板→灌浆→达到规定强度后模板拆除→拆除斜垫铁→撤离临时支座→安装盆式支座围板。
（2）调整。U梁吊装到预定位置后，首先用位于支座内侧的扁平千斤顶支承，并调整标高。然后视需要安装水平调整千斤顶，进行轴线和里程调整。在每块钢板上设置两个反力架，若U型梁需要进行轴线和里程调整，则在反力架上安装轴线和里程调整千斤顶，通过顶进、扁平千斤顶来完成调整。调整完成后，安装临时支座。
（3）盆式支座精确就位。待临时支座安装完成后用环氧砂浆灌注螺栓预留孔及支座底面垫层。环氧砂浆硬化后再旋紧地脚螺栓。拆除临时支座，使U梁荷载转移到盆式支座上。
5 结语
（1）通过实验研究，试验梁破坏呈典型的受弯构件延性破坏，安全系数＞2.5，纵向抗裂性安全系数1.3。梁模拟运营荷载下混凝土应力满足规范要求，桥梁刚度满足规范要求。
（2）U梁抗剪强度设计目前通常采用试验室中建立的半经验公式，设计配筋除按我国铁路规范进行抗剪配筋计算外，还应采用国外标准进行比较验算。U梁的二维温度模型，为今后的设计工作提供重要参考。
（3）后张法预应力混凝土U梁，因薄壁自重较轻、底板较薄，外形美观并可以减噪，造价节省。U梁的应用取得了良好的经济效益和社会效益，形成了一套完整的U梁预制、安装的科学施工工艺，在今后城市高架轨道交通建设中有极大的推广潜力。
参考文献
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[2]刘彦明.上海轨道交通6号线槽形梁设计[J].科技交流,2004，(1)：89-106.
[3]郭敏.广州市地铁高架U型梁结构设计[J].广东土木与建筑,2004，(5):12-14.
[4]蔡鹏.城市高架交通新型“U”形梁的预制技术[J].建设施工,2008,30(1):61-64.
[5]李文勇.U形梁结构加载模拟实验的分析和研究[J].中国市政工程,2008，(3):90-92.
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[7]黄超,姚红英.U形梁关键施工技术研究[J].上海建设科技,2008，(4):37-40.
[8]T B10002.3-2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构设计规范[S].
