楊開屏

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城建院,西安 710043)

1 概述

城軌交通中,獨(dú)柱車站良好的景觀及道路適應(yīng)性在低烈度地區(qū)多作為路中車站方案采用。作為獨(dú)柱高架車站主要承載構(gòu)件的蓋梁,由于站臺(tái)寬度的計(jì)算要求[1],一般懸挑長(zhǎng)度多在10 m左右,且需承受建筑靜荷載及列車動(dòng)荷載,其荷載種類和分布狀態(tài)較為復(fù)雜。結(jié)合重慶某獨(dú)柱高架車站,比較大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁在橋、建兩類規(guī)范中的設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)結(jié)果,探討遵循容許應(yīng)力法的工程中,預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題。

2 工程背景

本工程為高架三層側(cè)式車站,結(jié)合站廳功能及規(guī)模要求,柱距采用11、12、13 m的組合布置,獨(dú)柱墩截面為2.2 m×2.8 m,蓋梁最大懸挑長(zhǎng)度達(dá)10.1 m。下層蓋梁承擔(dān)站廳層建筑荷載,上層蓋梁承擔(dān)簡(jiǎn)支軌道梁及站臺(tái)層荷載。墩梁的橫剖面如圖1所示。

圖1 車站墩梁橫剖面(單位：mm)

3 預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的兩類規(guī)范比較

對(duì)于橋-建組合式高架車站的蓋梁,兼具建筑構(gòu)件與橋梁構(gòu)件的特征。按照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](TB10002.3—2005)(以下簡(jiǎn)稱“橋規(guī)”)的容許應(yīng)力法或《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3](GB50010—2002)(以下簡(jiǎn)稱“建規(guī)”)的極限狀態(tài)法設(shè)計(jì),均可得到滿足各自規(guī)范要求的設(shè)計(jì)結(jié)果,但兩類規(guī)范中,材料強(qiáng)度的取值,荷載效應(yīng)的組合方式以及檢算條件都存在差異。鐵路橋規(guī)主要按主力、附加力及特殊荷載進(jìn)行組合,按破壞階段檢算構(gòu)件強(qiáng)度,按彈性階段檢算應(yīng)力；建規(guī)則采用不同的分項(xiàng)系數(shù)及組合系數(shù),實(shí)現(xiàn)基本組合下的承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算及標(biāo)準(zhǔn)組合下的正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。目前《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[4](GB50157—2003)對(duì)蓋梁類構(gòu)件仍推薦采用鐵路橋規(guī)設(shè)計(jì),而對(duì)同一設(shè)計(jì)通常情況下,按建規(guī)設(shè)計(jì)方法獲得的構(gòu)件強(qiáng)度安全儲(chǔ)備系數(shù)將大于按鐵路橋規(guī)方法設(shè)計(jì)得到的[5]。

以上述工程為例,對(duì)預(yù)應(yīng)力蓋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。按不同規(guī)范進(jìn)行荷載效應(yīng)組合,可得到各自規(guī)范的荷載效應(yīng)值見表1,其中極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的效應(yīng)值考慮了1.1的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),以適用100年的使用年限。在相同的結(jié)構(gòu)材料及鋼束線形布置形式下,比較兩類設(shè)計(jì)方法的理論承載能力以及極限點(diǎn)到設(shè)計(jì)點(diǎn)之間的安全儲(chǔ)備量。極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的極限彎矩與設(shè)計(jì)彎矩及容許應(yīng)力法的實(shí)際強(qiáng)度安全系數(shù)與許用安全系數(shù)的比較見表1。

由表1可見,當(dāng)上層蓋梁總鋼束為20束12φs15.2時(shí),下層蓋梁總鋼束為17束12φs15.2時(shí),容許應(yīng)力法的強(qiáng)度安全系數(shù)已不滿足限值要求,而極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法在強(qiáng)度安全儲(chǔ)備上仍有5%～13%的富余量。由此可見,在不同設(shè)計(jì)規(guī)范的理論計(jì)算中,建規(guī)的荷載組合方式及驗(yàn)算方法下,構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性較好,而容許應(yīng)力法將略顯保守。實(shí)際中,對(duì)于大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁,滿足強(qiáng)度條件的設(shè)計(jì)尚可能存在施工階段應(yīng)力是否合理的問題,這使得預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)計(jì)需滿足多層次需求。

表1 兩類規(guī)范檢算結(jié)果比較

4 容許應(yīng)力法預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

由于國(guó)內(nèi)對(duì)城軌高架車站采用極限狀態(tài)法的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相對(duì)不足,工程領(lǐng)域仍遵循《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》,采用留有較大安全系數(shù)的容許應(yīng)力法設(shè)計(jì),且便于實(shí)際操作。

采用容許應(yīng)力法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力蓋梁設(shè)計(jì)時(shí),除滿足強(qiáng)度安全系數(shù)外,還需合理控制施工階段混凝土截面應(yīng)力及運(yùn)營(yíng)階段鋼束應(yīng)力比等,這些因素決定了鋼束線形的排布及張拉方案。

為抵抗外荷載,鋼束在蓋梁根部靠近上緣布置,接近懸臂端部逐漸下彎錨固,但由于蓋梁承載及懸臂長(zhǎng)度較大,按運(yùn)營(yíng)階段計(jì)算配置的鋼束較多,在施工階段將會(huì)引起蓋梁下緣預(yù)拉區(qū)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。通常最下排鋼束線形布置需考慮解決施工階段過度受拉的問題。下排鋼束線形的布置可采用兩種方式,一是采用S形布置,即懸臂端下緣由平直段逐漸彎向蓋梁根部上緣布置；二是將下排鋼束貼近蓋梁下緣,基本呈直線形布置。兩種鋼束線形布置見圖2、圖3。

圖2 蓋梁鋼束線形布置1

圖3 蓋梁鋼束線形布置2

蓋梁兩種鋼束線形布置的端部錨固區(qū),鋼束排布形式均相同,如圖4所示。

圖4 上層及下層蓋梁端部錨固區(qū)大樣(單位：mm)

第一種鋼束線形布置,由于鋼束較貼近上緣,蓋梁下緣在施工階段將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,解決此問題需增加張拉批次,使施工工序復(fù)雜,且強(qiáng)度安全系數(shù)的提高可能造成施工階段受力合理性的降低。另鋼束采用S形布置將加大預(yù)應(yīng)力鋼束的摩阻損失,但在鋼束總長(zhǎng)度不太長(zhǎng)的情況下,對(duì)提高抗剪性能具有一定貢獻(xiàn)[6]。

第二種鋼束線形布置,在不增加張拉批次的情況下,可較好地解決施工階段蓋梁下緣的受拉問題,且較易實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度安全系數(shù)的提高,但由于其下排鋼束放置位置較低,蓋梁上緣較第一種方式需加大鋼束配置量。蓋梁的抗剪性能可間接通過主拉應(yīng)力值度量[6]。

本工程采用BSAS軟件按不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì),徐變延續(xù)期執(zhí)行鐵路橋規(guī)取值。蓋梁每間隔1 m左右劃分1個(gè)單元,且在蓋梁?jiǎn)卧纬善?節(jié)點(diǎn)處增加單向受壓支座[7],模擬施工階段臨時(shí)支撐。蓋梁的設(shè)計(jì)荷載來自Midas程序空間分析結(jié)果,荷載效應(yīng)值可見表1。蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束張拉共分兩批,擬定的張拉施工順序?yàn)椋?/p>

(1)搭架澆筑站廳層、軌道層結(jié)構(gòu)構(gòu)件；

(2)張拉上層、下層蓋梁第1批鋼束N2,N3,N4及N6,N7,N8；

(3)架設(shè)車站軌道梁及澆筑站臺(tái)層結(jié)構(gòu)；

(4)拆除軌道層支架,張拉上層蓋梁第2批鋼束N1；

(5)拆除站廳層支架,張拉下層蓋梁第3批鋼束N5；

(6)施加站廳層裝修荷載、設(shè)備荷載,站臺(tái)層裝修荷載、設(shè)備荷載、軌道梁二期恒載、鋼結(jié)構(gòu)雨棚安裝；

(7)施加運(yùn)營(yíng)階段雙線列車荷載及站廳、站臺(tái)人群荷載。

按兩種鋼束線形布置分別調(diào)整后,得到雙線荷載主力作用下,蓋梁的主要檢算結(jié)果如表2所示。

表2 蓋梁檢算結(jié)果比較

從表2看出,鋼束線形布置2在每批鋼束張拉后,施工階段拉應(yīng)力較小,基本在1 MPa內(nèi),且可獲得較大的安全系數(shù)；而線形布置1,施工階段拉應(yīng)力及運(yùn)營(yíng)階段主拉應(yīng)力較大,解決拉應(yīng)力問題需通過增加鋼束張拉批次調(diào)整,為施工帶來不便,且提高強(qiáng)度安全系數(shù)將帶來施工階段拉應(yīng)力加劇的矛盾。線形2雖然相比增大了上排鋼束張拉噸位,但在各項(xiàng)指標(biāo)上更優(yōu)于線形1。對(duì)于高架車站,通常站臺(tái)雨棚的設(shè)計(jì)方案前期尚不能確定,作為下部支撐結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力蓋梁,預(yù)留較大的安全系數(shù)也具有實(shí)際意義,實(shí)際工程中鋼束配置采用線形2。

蓋梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)是多種指標(biāo)綜合調(diào)控的結(jié)果,鋼束線形調(diào)整時(shí),需控制截面受壓區(qū)高度,以避免開裂荷載與破壞荷載接近引起的脆性破壞[8],并需考慮調(diào)整施工中的拉應(yīng)力。本工程的錨下控制應(yīng)力σcon取(0.67～0.70)fpk。此外,為使施工階段蓋梁受力合理,需預(yù)設(shè)施工階段,并依此分批張拉鋼束,最后應(yīng)使運(yùn)營(yíng)階段正應(yīng)力及主應(yīng)力等指標(biāo)取值合理。對(duì)于大懸臂蓋梁,為降低剛度不足引起的行車振動(dòng)影響,將豎向撓度值從嚴(yán)控制,其值由規(guī)范[9]的l/300提高至20 mm[6],本工程蓋梁最大撓度理論計(jì)算值為10 mm。在張拉施工中,由于蓋梁與建筑結(jié)構(gòu)層的樓板現(xiàn)澆,為避免預(yù)應(yīng)力張拉引起的板面開裂問題,在蓋梁兩側(cè)設(shè)置后澆帶將預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)分開[10],待第一批預(yù)應(yīng)力鋼束張拉結(jié)束后,再完成二次澆筑。

5 結(jié)論

預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在有效控制梁高及抗裂性、耐久性上的優(yōu)勢(shì)是鋼筋混凝土構(gòu)件無法實(shí)現(xiàn)的,同時(shí)獨(dú)柱高架車站的大懸臂結(jié)構(gòu)由于撓度控制較嚴(yán)格,宜采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系。在預(yù)應(yīng)力蓋梁的設(shè)計(jì)中,有如下建議和結(jié)論。

(1)對(duì)橋-建組合式高架車站,鐵路橋規(guī)與建筑規(guī)范均有各自的設(shè)計(jì)理論體系,從承載能力即強(qiáng)度設(shè)計(jì)上來比較,目前遵循的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法,其構(gòu)件設(shè)計(jì)的強(qiáng)度安全儲(chǔ)備系數(shù)小于建筑規(guī)范的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法,經(jīng)濟(jì)性相比略低,量值在10%左右。

(2)大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁,由于懸挑長(zhǎng)度及承載力較大,按運(yùn)營(yíng)階段計(jì)算配置的鋼束可能引起施工階段受力的不合理。本文比較了兩種鋼束線形布置,將下排鋼束貼近蓋梁下緣的直線形布置,可較好控制施工階段拉應(yīng)力,且張拉批次少,結(jié)構(gòu)可獲得的強(qiáng)度安全系數(shù)較高。

(3)結(jié)合施工階段分劃設(shè)置預(yù)應(yīng)力張拉批次,是為使施工階段蓋梁應(yīng)力值趨向合理,同時(shí)張拉批次不易設(shè)置過多,一般不超過2批,由此蓋梁束形調(diào)整需兼顧運(yùn)營(yíng)及施工階段?？刂剖┕るA段拉應(yīng)力可通過調(diào)整蓋梁下排鋼束線形實(shí)現(xiàn),通常每批鋼束張拉后,蓋梁下緣拉應(yīng)力宜在1 MPa內(nèi)。

[1]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城建院.城市軌道交通建筑設(shè)計(jì)技術(shù)指南[Z].西安:2009.

[2]TB10002.3—2005,鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范鐵[S].

[3]GB50010—2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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[5]倪章軍，等.城市軌道交通橋梁按極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)的建議[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,31(10):1173-1177．

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