南京地铁2号线东延高架线路u型梁设计

南京地铁2号线东延高架线路u型梁设计

在距离市中心后，城市公路公路离开市中心后采用的高架道路，相对较低的成本和良好的乘坐视觉效果都很受欢迎。但是高架线路的运营噪声以及对建筑景观环境的影响制约了其应用和发展。因此,鉴于景观、环保和创新的需求,南京地铁2号线东延线部分区段采用预应力混凝土U型梁代替传统的箱梁作为高架桥的上部结构。U型梁是一种下承式梁,与传统的上承式梁(如箱梁、工字梁等)相比,具有大幅降低线路标高和车站高度,以及较能适应线路条件、减少工程量和节约投资等优势。同时,U型梁结构本身形成一个良好的防噪体系。噪声在U型梁腹板内多次反射后能量衰减,可有效地降低噪音。但是,目前U型梁在国内轨道交通工程中应用较少,尚无成熟、系统的设计经验可供借鉴。因此,本文结合该工程实例,对U型梁在使用和运营中的受力、变形情况进行计算和试验,为U型梁在城市轨道高架线路中的推广应用提供依据。1下部结构及预应力筋设计南京地铁2号线东延高架线的U型梁主要应用于三段线路中。首段长约1.2km,线路线型较好,最小曲线半径1200m;采用单线小U型结构,共49跨,98片梁,跨度以25m为主。U型梁顶宽5.15m,梁底宽4.1m,底板厚0.26m,梁高1.8m,每跨下设4个支座。第二、三段线路长分别为1.8km和1.7km,为两个高架区间,最小曲线半径600m;也采用单线小U型结构,桥跨同样以25m跨度为主,配跨有18m、26m等,并根据具体情况设计有加宽、变宽的U型梁。下部结构标准桥墩采用T型桥墩,钻孔桩基础。标准段U型梁跨中截面如图1所示。U型梁梁体混凝土等级为C55。封锚采用C55无收缩混凝土。普通钢筋采用Q235及HRB335。预应力钢筋为7×ϕ5mm钢绞线,直径15.2mm,极限抗拉强度1860MPa。预应力施加采用后张法。预应力筋采用直线配筋,钢绞线总数为74束。所有钢绞线均对称于梁的跨径中心线布置(具体如图1和图2所示)。图1、图2中N2和N2’为9束,其余为7束。2u梁结构计算2.1单元强化模型利用有限元软件建立一标准跨径为25m的预应力混凝土U型简支梁,模拟其静载试验及施工全过程。U型梁混凝土采用组合式建模,选用SOLID65单元、多线性等向强化模型。同时利用SOLID65单元所提供的各项实体参数,将普通钢筋离散到单元中去;设置三个方向的配筋率,分别为纵向0.6%、横向2.28%、竖向1.14%。预应力筋采用实体建模,选用LINK8单元,三折线随动强化模型。施加预应力时采用初应变法,同时将预应力筋单元的节点和同一位置混凝土单元的节点耦合在一起,模拟两者的粘结状态。图3和图4分别为U型梁整体和预应力筋的有限元网格。2.2u型梁荷载计算时荷载主要包括恒载和活载。恒载包括结构自重和二期恒载。二期恒载主要包括线路设备和附属设施的重量,按33.7kN/m计(不包括接触网荷载)。接触网荷载为:竖直荷载20kN;垂直线路的水平力为20kN,顺线路方向的水平力为4kN;垂直线路的弯距为100kN·m,顺线路方向的弯矩为20kN·m。设计活载为四拖六辆列车编组荷载,考虑动力系数后轴重为188kN。施加荷载时将U型梁在设计荷载作用下跨中弯矩达到最大作为最终工况,并分级累计施加。荷载施加分级如表1所示,跨中弯矩最大工况时荷载如图5所示。2.3混凝土应力分析通过有限元模型,主要对U型梁梁体在跨中处的横向变形、竖向变形,混凝土横向应力和纵向应力,预应力筋的纵向应力进行计算,为设计和施工提供参考。2.4计算2.4.1u型梁变形2.4.1.左、右主梁横向变形表2为U型梁跨中横向变形计算结果。从中可知:在跨中弯矩最大时,U型梁左右两侧的主梁都向内侧变形,但量值较小;跨中处左侧主梁向内侧变形1.27mm,右侧主梁向内侧变形3.88mm。从施加二期恒载开始,左侧主梁横向变形由向外1.07mm变成向内1.27mm;右侧主梁的横向变形则逐渐变大,由向内1.94mm增加到3.88mm。由于施加二期恒载需考虑接触网的位置,U型梁两侧荷载施加不对称,而U型梁截面形状也不对称,因此左右两侧主梁的横向变形有所差别。2.4.1.地铁与u型梁两组变形不对称型挠度表3为U型梁跨中竖向变形计算结果。从中可知:跨中弯矩最大时,U型梁道床板底部中点的跨中挠度最大为10.69mm。其中由于静活载产生的挠度为9.17mm,挠跨比为1/2726,满足《地铁设计规范》对静活载下挠度容许值的要求(1/2000)。同时,U型梁两侧变形不对称,跨中左侧主梁向下变形8.20mm,右侧主梁向下变形5.96mm。这同样是由于二期恒载不对称引起的。2.4.2u型梁的力分布2.4.2.混凝土应力表4为U型梁跨中截面横向应力计算结果。从中可知:U型梁的道床板底部横向受拉,当静活载轴重加至94kN时,在跨中道床板底部中线处,混凝土的应力为2.25MPa,超过了C55的极限抗拉强度,出现了应力突变,说明混凝土已开裂(此时由底板布置的横向普通钢筋承受拉应力,在设计施工时应予以重视);跨中道床板顶部中线处,混凝土受压,压应力达到-3.24MPa。2.4.2.正截面的应力表5为U型梁跨中截面纵向应力计算结果。由结果可知:U型梁沿纵向全截面处于受压状态;主梁上翼缘的压应力分别为-10.77MPa、-10.13MPa;道床板底部的纵向应力分别为-0.16MPa、-1.60MPa、-1.71MPa;剪力滞现象不明显。2.4.2.宏观应力分析表6为U型梁跨中预应力筋纵向应力计算结果。从中可知:U型梁预应力筋的纵向应力较均匀,最大纵向应力发生在N2号预应力筋跨中处,为1031.40MPa;由于二期恒载加载不对称,故导致左侧预应力筋的纵向应力比右侧预应力筋大;由于主梁中的预应力筋的矢高较小,故导致主梁中的预应力筋纵向应力比道床板中的预应力筋小。3试验与研究3.1试验现场的结果分析U型梁是开口构件,抗扭性能不如箱梁,在车辆荷载作用下应力分布也比其它截面形式复杂。为检验U型梁在设计荷载、开裂荷载和破坏荷载作用下的安全性和耐久性,选取一孔跨度25m标准梁段做1∶1静载试验,以研究U型梁在各种荷载作用下的底板纵向裂纹的发展形式。试验现场如图6所示。静载试验加载工况分为五种:工况一、四分别为正常使用阶段和开裂阶段活载加载(跨中弯矩最大);工况二、三分别为正常使用阶段和开裂阶段活载加载(近支座处剪力最大);工况五为破坏阶段活载加载,分别加载到设计荷载的200%、250%。在工况一至工况三的加载过程中,结构处于弹性状态;在工况四至工况五的加载过程中,U型梁底板出现了纵向裂纹。当加载弯矩达到设计弯矩的85%时,底板底开裂;当加载弯矩达到设计弯矩的101%时,底板纵向裂纹宽度0.023mm;当加载弯矩达到设计弯矩的120%时,底板纵向裂纹宽度0.042mm;当加载弯矩达到设计弯矩的156%时,工况四结束,底板纵向裂纹宽度0.093mm,与考虑混凝土疲劳的计算裂缝宽度基本吻合。现场加载试验满足规范要求。3.2试验结果与分析预应力混凝土U型梁作为城市轨道交通的载体,承受循环荷载的作用,在使用一定时间后跨中将产生纵向裂缝,会降低梁体和行车道板的刚度与承载力,影响行车安全。因此,为确保结构在使用阶段的承载安全,通过模型试验对预应力混凝土U型梁行车道板纵向疲劳裂缝扩展问题进行研究。本项目主要通过1.9m模型梁跨中横向应力与实际25mU型梁的等效,使用疲劳试验机加载系统模拟车辆荷载的循环作用;在结构经历一定的循环加载次数后进行静力试验,观察裂缝的发展情况及结构受循环荷载作用后的损伤,以便对结构的安全使用性能做出科学的评价。模型梁试验情况如图7所示。由试验结果可知:1)U型模型梁在疲劳荷载下循环加载600万次后,使其处于等效车辆静活载106kN作用下(相当于实桥承受12.2t的特征轴载及冲击系数为1.18的冲击作用)。行车道板结构中心线处底层横向钢筋应力幅可取为28.8MPa;若取设计轴载16t及冲击系数为1.18的冲击作用,则横向钢筋应力幅将为37.77MPa。目前,我国还没有给出变形钢筋疲劳寿命计算表达式的规范,但根据欧洲钢结构协会(ECCS)颁布的钢结构疲劳设计规范的规定,连续的变形钢筋属于100细节类型。在行车道板采用聚丙烯纤维混凝土的U型梁的服役期间,钢筋的应力幅(≤37.77MPa)小于ECCS中规定的疲劳极限(40MPa),可以认为钢筋具有无限的疲劳寿命,在设计寿命内不会发生疲劳失效。2)裂缝的宽度成为控制U型梁正常使用性能的关键因素。U型梁行车道板纵向裂缝宽度的验算与控制标准应结合其构造与受力特点合理确定,可按钢筋混凝土构件、预应力混凝土B类构件折中考虑。根据我国《桥梁设计规范》可知,钢筋混凝土构件最大裂缝限值不得超过0.20mm。由疲劳试验结果可知,600万次时最大有效裂缝宽度为0.075mm,大部分裂缝宽度在0.050～0.075mm之间。最大试验裂缝宽度未超过钢筋混凝土构件裂缝限值。可根据模型梁经历的600万次循环次数,反算出实际结构等效运营时间。经保守估算可知,600万次试验循环加载的等效运营时间大于33年。4试验2:复合式111)经计算分析可知,南京地铁2号线东延线高架区间中采用的开口薄壁U型梁整体受力性能较好。但在设计荷载下,跨中处道床板底部的横向拉应力超过C55的极限抗拉强度,建议