轨道交通预制U形梁力学性能研究

刘孟龙,宋郁民,吴定俊

(1.上海工程技术大学,上海 201620； 2.同济大学,上海 200092)

城市轨道交通广泛使用的U形梁是由早期的槽形梁优化发展而来，在国内城市轨道交通领域，U形梁正处于研究推广阶段。目前我国广泛采用的是单线U形梁，以整体预制吊装施工为主，预制方法有先张法和后张法。国内已成功应用的单线U形梁中，广州地铁4号线、南京地铁2号线东延线、重庆轨道交通1号线大沙段采用的是后张法预制工艺，上海地铁16号线则采用了先张法预制工艺[1-5]。尽管已有工程应用，但对于先张法与后张法预制U形梁在力学性能上的差异的比较研究仍然较少。结合青岛蓝色硅谷城际轨道交通工程高架区间项目，运用有限元法对先张法与后张法预制U形梁的力学性能进行了理论对比分析，随后对预应力U形梁进行了静载试验，详细分析了试验荷载下U形梁的刚度和抗裂性等指标[6-9]。

1 工程背景

青岛蓝色硅谷轨道交通工程全长58.44 km，其中高架桥段长约47 km，占线路总长的80%[10]。高架桥采用整孔预应力混凝土简支U形梁，标准跨度为30 m，梁型为5.0 m线间距直线梁。U形梁为开口薄壁结构，腹板为弧形设计，支座中心距梁端0.6 m，梁端1.2 m为加厚区，梁高逐渐由1.8 m增加至1.94 m，渐变段长度0.42 m。内外腹板厚度分别为0.26、0.265 m，底板厚0.26 m，梁端加厚区底板厚0.4 m。U形梁上宽5.32 m，下宽3.98 m，底板加厚区宽4.58 m，外腹板顶宽1.0 m，内腹板宽0.72 m，线路中心线偏向内腹板侧，与底板中心线偏心0.065 m。U形梁跨中截面尺寸见图1。

先张法有94根预应力钢筋。为防止梁端混凝土上缘出现过大拉应力，将部分钢绞线端头设置套管。27根N1钢筋通长无套管；20根N2预应力钢筋，在端

图1 U形梁跨中截面(单位：mm)

头设置2.4 m套管；37根N3预应力钢筋，在端头设置5 m套管。预应力钢绞线标准强度为1 860 MPa，锚下张拉控制应力为1 362 MPa。钢束端部设立φ8 mm的螺旋筋。预应力配筋见图2。

后张法中预应力钢束共10束，在梁中预埋金属波纹管，每根钢束包含10根1 860 MPa钢绞线，为防止梁端混凝土上缘出现过大拉应力，最外侧2束N1腹板钢束在腹板内向上弯起，锚固在梁端上翼板，其余钢束均配置在底板，并在梁端下弯55 mm以方便锚固。预应力配筋如图3所示。

图2 先张法预应力配筋(单位：mm)

图3 后张法预应力配筋(单位：mm)

2 力学性能有限元分析

采用通用有限元软件Midas Civil分别建立先张法U形梁和后张法U形梁的有限元模型，梁单元为空间梁单元，全桥模型如图4和图5所示。

图4 先张法预制U形梁有限元模型

图5 后张法预制U形梁有限元模型

2.1 有限元分析结果

通过有限元分析，得到先张法预制U形梁的轴力图、弯矩图分别如图6、图7所示，后张法预制U形梁的轴力图、弯矩图如图8、图9所示。

图6 先张法预制U形梁轴力图(单位：kN)

图7 先张法预制U形梁弯矩图(单位：kN·m)

图8 后张法预制U形梁轴力图(单位：kN)

图9 后张法预制U形梁弯矩图(单位：kN·m)

2.2 力学性能分析比较

表1和表2对先张法与后张法预应力U形梁的内力、应力状态及变形进行了比较。

由表1可知，先张法预应力U形梁的轴力明显小于后张法预应力U形梁；先张法预应力筋并不改变原有结构的剪力，先张法预应力U形梁的剪力大小与无预应力U形梁一致；后张法预应力筋由于存在一根弯起钢筋，相当于存在一根竖向预应力筋，因而后张法预应力U形梁的剪力较无预应力U形梁减小很多[11]。

表1 内力状况分析

注：轴力以拉为“+”，压为“-”；剪力以顺时针转动为“+”，逆时针转动为“-”；弯矩以顺时针为“+”，逆时针为“-”。

表2 应力状态和变形

注：拉应力为“+”，压应力为“-”。

由表2可知，先张法预应力U形梁的正应力整体上比后张法预应力U形梁要小，尤其是其最大值，差别非常明显；无论是先张法还是后张法，预应力U形梁的变形都远小于无预应力U形梁，梁的刚度有很大改善。

3 荷载试验比较分析

3.1试验方法

静载试验荷载采用反力架加载，底板加载点P1设置纵向分配梁和横向分配梁，腹板加载点P2设置纵向分配梁，如图10所示。

图10 U形梁加载点横向布置示意(单位：mm)

静载试验测试的主要内容为：(1)1.0倍设计荷载加载，测试U形梁控制截面的应变和挠度；(2)1.2倍设计荷载加载，测试U形梁控制截面的应变和挠度。

试验的测试截面选取跨中截面，其挠度测点和应变测点布置分别如图11、图12所示。

图11 跨中挠度测点布置

图12 跨中截面的纵、横向应变测点布置(单位：cm)

试验加载遵循跨中弯矩与设计荷载下最大弯矩相等、支点剪力与设计荷载下最大剪力近似相等的原则，采用分级加载的方式进行加载(定义系数K为分级加载系数，即试验加载下梁体跨中弯矩值与设计荷载下梁体跨中最大弯矩值的比值)。

加载分为两个阶段：

(1)K≤1.0时，通过底板千斤顶进行加载；

(2)1.0≤K≤1.2时，通过腹板千斤顶进行加载。

为消除试验过程中不确定因素的影响，确保试验结果准确性和可靠性，试验进行两个循环测试：

(1)从零荷载逐级加载到“1.0倍二恒+1.0倍活载”，按照试验规程完成逐级测试后，再逐级卸载到零荷载状态；

(2)从零荷载逐级加载到“1.2倍设计荷载”，按照试验规程完成逐级测试后，再逐级卸载到零荷载状态。

3.2 试验结果分析

3.2.1 刚度分析

U形梁跨中截面在1.0倍设计活载作用下挠度实测值和挠跨比分析结果如表3所示。

表3 各试验梁跨中截面实测最大挠度值与挠跨比分析

由表3可知，1.0倍活载作用下的实测挠度最大值为11.9 mm，由表4可知，1.0倍活载作用下跨中截面混凝土纵、横向应力增量的最大值为8.33 MPa，满足《预应力混凝土铁路桥简支梁静载弯曲实验方法及评定标准》[12](TB/T2092—2003)的要求；梁体最大挠跨比为1/2 208，满足《地铁设计规范》(GB 50157—2013)[13]的挠跨比不超过1/2 000的限值要求。

表4 荷载作用下跨中截面混凝土纵、横向应力增量 MPa

注：压力为“-”，拉力为“+”。

3.2.2 抗裂性分析

静载试验的两次循环中，在K=1.0倍活载加载下，持续20 min，均未发现梁底因横向弯曲而出现的纵向裂缝。

先张法预应力U形梁在K=1.20设计荷载下持荷20 min后，在底板下缘、倒角及圆弧过渡段，均未发现因道床板横向弯曲而形成的纵向裂缝。只在跨中位置附近发现2条纵向裂缝，经测量裂缝宽度在0.01～0.02 mm范围内，满足《铁路桥涵设计规范》(TB10002—2017)的钢筋混凝土结构抗裂性要求[14]，表明道床板的横向弯曲抗裂性合格。卸载后，继续观察裂缝，多数极微小裂缝闭合，较宽裂缝宽度减小，满足钢筋混凝土结构抗裂性要求。

后张法预制U形梁在K=1.2设计荷载加载下，持荷20 min，观察发现跨中、1/4跨的底板下缘区域，出现25条长短不等的纵向裂缝。经测量，裂缝宽度在0.01～0.05 mm范围内，长度在10～60 cm，裂缝的最大宽度达0.08 mm。

由于后张法预应力管道的存在导致截面削弱，波纹管下混凝土厚度较小，再扣除非预应力筋所占的空间，粗集料很难进入该区域，施工时无法进行有效的振捣，导致很小的横向拉应力就可能产生裂缝，使得后张法纵向裂缝产生多于先张梁。

4 结论

通过有限元理论分析和现场静载试验，对先张法、后张法预应力U形梁的力学性能进行了详细分析和评价，主要得出以下结论。

(1)有限元模型计算结果表明，先张法U形梁和后张法U形梁的内力状况基本接近，先张法U形梁的应力相对较小。

(2)试验荷载作用下，先张法U形梁较后张法U形梁挠度要小，抗裂性能突出，满足相关规范[15-16]要求。

(3)先张法U形梁耐久性好，力学性能明显优于后张法U形梁，具有推广使用的潜力。

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