景 明

(中鐵建設集團有限公司,北京 100040)

隨著我國軌道交通建設的迅速發(fā)展，預制梁板的運輸與架設已成為一項重要的施工工序。在運梁過程中，運梁車通過的主體結構承載能力是否滿足設計要求將影響整個施工進程。為了對運梁通道的安全性進行評價，在運梁前對車站主體結構進行數值模擬，根據模擬計算結果判斷是否需要進行加固。文獻[1]對炮車運梁過程進行了理論計算與實橋試驗。文獻[2]做了特種車輛通過橋梁的安全評估，根據評估結果采取了相應的加固措施，并通過荷載試驗進行了檢驗。文獻[3-7]對地鐵車站基坑內鋼管柱支撐的軸力進行了現場監(jiān)測與分析。本文重點研究橋-建組合結構體系的地鐵車站在運梁期間的應力和變形，根據設計要求確定加固措施。對車站主體結構加固前后的受力性能進行分析，判斷加固方案的可行性。現場運梁期間對車站主體結構進行應力監(jiān)測，并與模擬計算值進行對比。

1 工程概況

成都地鐵五號線廖家灣車站為高架三層側式車站，采用橋-建組合結構體系，軌道結構與主體結構之間采用剛性連接。車站總長186 m，縱向設有1道變形縫。車站結構共有2個分區(qū)，1～8軸為A分區(qū)，9～15軸為B分區(qū)。標準段寬24.4 m，首層層高7.85 m，站廳層高6.45 m，站臺板下夾層高1.70 m。

圖1為車站結構及運梁過程。廖家灣站主體結構采用C40混凝土材料，見圖1(a)。計算分析時，材料彈性模量及強度依照TB 10002—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》[8]取值。混凝土框架主體結構采用滿堂支架、現澆混凝土施工。

圖1 車站結構及運梁過程

地鐵車站主體第1片梁體簡支于邊跨橫梁牛腿上，見圖1(b)。地鐵車站兩側為長25，30 m的預制梁，采用運梁車運送梁體、架橋機落梁的施工工藝。

預制梁在地鐵車站所在工區(qū)內梁場預制，運梁車安置在車站主體第1片梁體上，稱為初始位置,見圖1(c)。車站主體第1片梁體一側由橫梁牛腿支撐，另一側由橋墩提供豎向支撐。待預制梁養(yǎng)護結束，架橋機到位，通過龍門吊將預制梁體吊裝到運梁車上固定后，運梁車緩慢行駛通過車站，將預制梁運送到車站主體另一側落梁位置，此過程稱為運梁過站,見圖1(d)。在運梁過站時車站主體結構受到運梁車及梁體產生的荷載作用。該荷載不同于車站設計使用荷載，需要對車站主體結構及邊跨橫梁牛腿處的受力進行模擬分析。

2 車站加固前主體結構計算

2.1 運梁過站計算參數

1)材料

車站主體結構(除樁基外)采用C40混凝土，樁基采用C35水下混凝土。

鋼筋采用HPB300，HRB400，HRB400E，HRB500E普通鋼筋。

2)設計荷載與參數的選用

鋼筋混凝土重度為26 kN/m3，鋼材重度為78.5 kN/m3。軌道梁二期恒載按27 kN/m計。

列車荷載：本工程采用A型列車，軸重為160 kN，按8輛編組。列車動力系數1+0.8μ=1+0.8×12/(30+L)，μ為沖擊系數，L為橋梁跨度。單節(jié)列車縱向布置如圖2所示。

圖2 單節(jié)列車縱向布置(單位：m)

運梁車荷載：本工程運梁車軸重為600 kN，共11軸。運梁車荷載分布如圖3所示。其中P為300 kN。

圖3 運梁車荷載分布(單位：m)

因A型列車軸重160 kN與運梁車軸重600 kN相差很大，為保證施工安全須對運梁過站進行分析計算。

3)荷載工況

運梁過站工況是將運梁車按移動荷載施加到車道。運梁過站車道驗算采用容許應力法[9-10]。荷載組合：1.0×恒載+1.0×活荷。

臨時加固桿件驗算采用極限應力法[9-10]。荷載組合：1.2×恒載+1.4×活荷。

2.2 有限元模擬分析

該橋采用MIDAS/Civil建立模型進行運梁過站分析[11]，計算移動荷載并得出應力及變形。

2.2.1 車站主體計算模型及計算結果

廖家灣站結構采用橋-建組合結構體系，全站單墩部分共分346個單元，145個節(jié)點，使用的材料為C40混凝土和C40-Q345組合材料，其中蓋梁全部采用了型鋼混凝土截面。在有限元建模時應注意型鋼混凝土截面中H型鋼的定位與幾何尺寸，保證計算的準確性。單墩部分計算模型及車道線位置如圖4所示。

圖4 單墩部分計算模型及車道線位置

雙墩部分共分1 194個單元，486個節(jié)點，使用的材料為C40混凝土和C40-Q345組合材料，其中蓋梁全部采用型鋼混凝土截面。在有限元建模時相關參數應與單墩模型保持一致。雙墩部分計算模型及車道線位置如圖5所示。

圖5 雙墩部分計算模型及車道線位置

車站主體主要計算結果見表1。

表1 車站主體主要計算結果 MPa

C40混凝土最大容許純剪切應力為1.35 MPa，混凝土彎曲受壓及偏心受壓容許應力為13.5 MPa，有箍筋及斜筋時主拉應力容許值為2.43 MPa。由表1可知：車站在運梁過站工況下拉應力與剪應力值超出容許值，因此車站主體結構需要采取加固措施。

2.2.2 牛腿處計算模型及計算結果

因為牛腿根部受力復雜，本文采用MIDAS/Fea建立了牛腿實體模型，將牛腿承受的荷載(每個牛腿受力 4 649.15 kN)施加于牛腿上。橋墩與牛腿接觸面采用剛性固結，牛腿外側不進行約束，為自由端。進行模擬分析后得出其應力及變形。牛腿計算模型如圖6所示，牛腿處主要計算結果見表2。

圖6 牛腿計算模型

方 向應力最不利值所在位置數值x方向(順橋向)拉應力牛腿根部上表面10.94x方向(順橋向)壓應力牛腿根部下表面-6.99y方向(豎向)拉應力懸臂根部4.32y方向(豎向)壓應力支座附近-8.15y-z平面剪應力支座附近2.65

由表2可知：牛腿處剪應力大于1.35 MPa、拉應力大于2.43 MPa，不滿足設計要求。因此須對車站主體結構牛腿處采取加固措施。

3 運梁過站加固方案及計算

3.1 加固方式

通過對車站主體結構模擬計算，車站主體縱梁以及牛腿處剪應力、拉應力超出容許值。為了降低運梁過站所產生的剪應力和拉應力，雙墩部分軌道層中心縱梁和車道線正下方采用φ200鋼管柱支撐進行加固，順橋向按間距1.5 m布置共5排，橫橋向按間距1.5 m布置共5排。雙墩部分鋼管柱支撐加固現場如圖7所示。單墩部分軌道層正下方采用φ630鋼管柱支撐加固，順橋向按間距3 m布置共2排，橫橋向按間距1.5 m布置共3排。單墩部分鋼管柱支撐加固現場如圖8所示。加固牛腿的鋼管柱支撐采用Q235鋼材(直徑630 mm，壁厚10 mm)，并在牛腿處順橋向設置2排4列精軋螺紋鋼，共8根(每根施加預應力540 kN)。鋼管柱支撐安裝時預頂20 kN的力，確保鋼管柱支撐頂部與混凝土面完全接觸。在運梁過站結束后，將臨時加固的精軋螺紋鋼與鋼管柱支撐及時拆除。

圖7 雙墩部分鋼管柱支撐加固現場圖8 單墩部分鋼管柱支撐加固現場

3.2 鋼管柱支撐加固模擬計算

3.2.1 模型的建立

在原模型基礎上添加鋼管柱支撐[12]，鋼管柱支撐與車站主體結構采用剛性連接。分析車站主體結構、牛腿處以及鋼管柱支撐的受力。依據GB 50017—2003《鋼結構設計規(guī)范》[13]計算鋼管柱支撐的受力和變形。鋼管柱支撐加固模型如圖9所示。

圖9 鋼管柱支撐加固模型

3.2.2 計算結果分析

加固后車站主體結構主要計算結果見表3，加固后牛腿處主要計算結果見表4，在運梁過站時鋼管柱支撐軸力計算結果見表5。

表3 加固后車站主體結構主要計算結果 MPa

表4 加固后牛腿處主要計算結果 MPa

表5 運梁過站時鋼管柱支撐軸力計算結果 kN

1)應力

在進行鋼管柱支撐加固前，車站主體縱梁在運梁過站時拉應力與剪應力均超出容許值。在進行鋼管柱支撐加固后，最大剪應力減小為1.34 MPa，小于最大容許純剪切應力1.35 MPa，滿足設計要求。最大拉應力減小至2.25 MPa，小于主拉應力容許值2.43 MPa，滿足設計要求。

牛腿處加固前拉應力和剪應力均超出容許值。在加固后最大剪應力為1.32 MPa，小于最大容許純剪切應力1.35 MPa，順橋向與豎向處于全截面受壓狀態(tài)且壓應力均小于13.5 MPa，滿足設計要求。

2)變形

車站主體結構雙墩部分跨中撓度容許值為7.5 mm，單墩部分跨中撓度容許值為6.5 mm，在加固前后撓度值均未超限。

由以上分析可見，鋼管柱支撐加固有效地減少了運梁過站所產生的主拉應力、剪應力和變形。該加固方案經過專家評審實施后，施工過程中對鋼管柱支撐進行應力監(jiān)測[14]，確保運梁順利安全進行。

圖10 鋼管柱支撐監(jiān)測點平面布置

4 運梁過站施工監(jiān)測方案

4.1 監(jiān)測方法及內容

為了保證運梁過站順利進行，在運梁過站期間對加固后車站主體結構與鋼管柱支撐進行應力監(jiān)測。廖家灣車站結構共有16軸，雙墩、單墩部分各選擇1跨進行應力監(jiān)測。雙墩部分選擇中跨位置8～9軸、單墩部分選擇中跨位置14～15軸。牛腿處鋼管柱支撐選擇16軸外側。在車站主體結構跨中縱梁上、下緣埋設應力傳感器。鋼管柱支撐由于鋼管數量較多，且鋼管柱支撐為雙對稱結構，故選取1/4平面內截面應力、變形較大的桿件進行監(jiān)測。選取3個區(qū)域(雙墩部分、單墩部分、牛腿處)進行監(jiān)測。

運梁過站監(jiān)測時荷載為運梁車自重+梁體自重。運梁車荷載作用下廖家灣車站監(jiān)測方案見表6。

表6 監(jiān)測方案

鋼管柱支撐監(jiān)測點平面布置如圖10所示，車站主體縱梁監(jiān)測點剖面布置如圖11所示。

4.2 監(jiān)測結果與模擬計算值的對比

圖11 車站主體縱梁監(jiān)測點剖面布置

表7為運梁過站期間各測點應變實測值與模擬計算值對比?？芍涸谶\梁車荷載作用下各鋼管柱支撐均受壓，實測應變值在29×10-6～74×10-6，應力值在5.96～15.2 MPa，均小于鋼材強度設計值215 MPa。在運梁車荷載作用下車站主體縱梁上緣受壓，下緣受拉。上緣實測壓應變值在76×10-6～128×10-6，應力值在2.44～4.12 MPa，均小于混凝土彎曲受壓及偏心受壓容許應力值13.5 MPa。下緣實測拉應變值在40×10-6～50×10-6，應力值在1.29～1.61 MPa，均小于混凝土主拉應力容許值2.43 MPa。鋼管柱支撐壓應力實測值與車站主體縱梁加固后下緣拉應力實測值均小于加固前的模擬計算值，表明該加固方案效果良好。

表7 各測點應變實測值與模擬計算值對比 10-6

注：應變拉為“+”，壓為“-”。

5 結論

1)數值分析結果表明，運梁過站過程中廖家灣車站主體結構軌道層中心縱梁、邊跨橫梁牛腿處的剪應力與拉應力超出了容許值。在結構受力最不利位置處采用鋼管柱支撐對車站縱梁、牛腿處加固后能有效地減少拉應力與剪應力，使其滿足使用要求。

2)在現場運梁過站過程中對鋼管柱支撐加固后的車站主體縱梁的應力監(jiān)測發(fā)現：鋼管柱支撐的應力實測值小于模擬計算值及鋼材強度設計值;車站主體縱梁上緣受壓，下緣受拉，下緣拉應力實測值與模擬計算值基本一致。應力監(jiān)測結果驗證了加固方案的合理性與數值模擬分析的準確性。