轻轨高架站长悬挑结构受力性能分析与现场测试

张煜

摘要 轻轨高架站中的预应力盖梁是重要受力构件，其存在双向长悬挑、承受轻轨动载且承受恒载较大等特点。为优选预应力盖梁配筋中预应力筋与非预应力筋的比例，采用了基于预应力度的预应力盖梁设计方法。为研究预应力度的合理取值问题，首先利用sap2000有限元软件对轻轨站动力特性进行分析，得出轻轨站的固有频率。其次，利用ansys软件对盖梁进行了精细化有限元分析，并对盖梁动态特性进行了现场测试。预应力设计计算和有限元分析结果表明，预应力度选取时预应力强度比可取为0.65，基于预应力度的部分预应力盖梁配筋设计方法可以较好地解决预应力筋与非预应力筋的比例问题。通过比较发现，测试获取的盖梁主受力筋应力、应变与有限元仿真结果相差较小。

关键词 预应力度;部分预应力;轻轨高架站;双悬挑

中图分类号 TU12 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）05-0163-04

0 引言

轻轨作为电力驱动交通工具，在需要实现碳达峰和碳中和的背景下，是一种可疏解城市交通压力且无污染的环保交通工具，因而得以迅猛发展[1]。轻轨高架车站是以现浇轨道梁、站台梁组成的现浇式结构体系，该类结构总施工周期长，断交给城市带来较大通行压力，且对周边环境影响较大[2]。采用装配式结构体系，可以较好地解决上述问题。

张广海[3]分析了装配式技术在中小运量轨道交通土建结构中应用的可行性和优越性。黄长木[4]以建桥结合高架车站工程为例，探讨了预制装配技术在高架车站中应用的可行性，提出预制盖梁与纵向框架梁三种刚性连接节点。李松柏[5]介绍了一种新的由单排树形大悬臂墩柱支承的桥建合建结构体系。张文斌[6]针对某高架车站的结构设计问题，对车站独柱大悬臂桥墩结构的车站的结构特点和设计控制关键进行了研究。

针对装配式高架车站的关键构件长悬挑盖梁受列車动载且承受恒载较大，为减小构件截面、控制裂缝，挑梁采用了部分预应力结构预制梁与盖梁连接的可靠性问题，融合“房”“桥”两专业的规范，并结合运营期的实际监测数据验证计算的科学性，通过建立sap2000及ansys分析模型，对比实测数据验证模型准确性，总结该类型结构的设计方法，并对该类结构的经济性进行了评价，为相似项目的设计工作提供实践依据。

1 工程概况

某地铁高架车站主体结构地上三层：地面层、站厅层和承轨层，标高分别为0 m、6.250 m和13.5 m;纵向标准墩距为12 m，纵、横向长分别142.8 m、23 m，桥墩间距为7 m，两端悬挑部分长为8 m;采用钢结构雨棚。抗震设防烈度为7度（0.1 g）。上部结构为现浇墩柱盖梁+站台梁其他预制结构。盖梁呈半口型且两端悬挑。主体结构材料，柱：C50，梁、板：C35，预应力梁：C50;轨道梁采用C40;主受力筋HRB400。

车站结构采用“房桥合一”体系，该结构体系的设计需要将桥梁及房建相关设计规范的要求相融合，采用特定体系条件下结构的设计方法。

建筑结构安全等级为一级，抗震设防类别为乙类，车站主体结构抗震等级为二级。

2 结构整体动力特性

2.1 周期及振型

利用sap2000对车站进行整体结构计算，见图1，应用MIDAS进行校核，并采用ansys软件对盖梁进行精细化分析。

车站结构的模态分析包括200个模态。前3种振型在X方向上提供了95%的组合模态质量参与，前5种振型在Y方向上提供了94%的组合模态质量参与。前5个模态的周期、频率见表1。

2.2 模态结果分析

由表1及图2～3可看出，车站受下部结构长悬臂的影响，其整体横向刚度弱于整体纵向刚度和抗扭刚度。

3 基于预应力度的悬挑梁设计

3.1 预应力度

预应力度定义可分别根据荷载的弯矩比、混凝土的应力比及预应力强度比定义。该文根据混凝土的应力比定义，受弯构件预应力度λ可表示为：

λ=σc/σ （1）

式中：σ、σc为构件控制截面受拉边缘的应力（N/mm2），部分预应力混凝土1>λ>0，荷载组合分别为运营荷载（不包括预加力），荷载组合为预加力（扣除全部预应力损失）。

3.2 盖梁受力计算

考虑施工顺序，采用sap2000进计算得到悬挑梁KL-GD-2根部最大弯矩为4 967 kN·m，KL-GD-1最大弯矩值为300 5 kN·m;最大裂缝宽度为0.29 mm。裂缝宽度不满足0.2 mm的限值要求。在建筑净空与轨顶标高双重条件限制下，KL-GD-1、2梁截面计算结果如表2所示，悬挑梁的截面高度已经做到极限，已经没有加高的空间，所以考虑对悬挑梁施加预应力来解决裂缝问题。

3.3 基于预应力度的部分预应力盖梁设计

预应力钢束标准强度、抗拉计算强度、张拉控制应力分别为1 860 MPa、1 674 MPa、1 395 MPa，弹性模量为195 000 MPa。

针对KL-GD-2，采用规范[7]进行计算，受拉区配置了48根直径28 mm普通钢筋As=29 556 m2;截面受压区配置了32根直径28 mm普通钢筋As’=19 704 mm2;单束钢绞线面积为980 mm2。

经计算，钢束的预应力总损失为316.83 MPa，截面安全、预加应力锚固阶段检算均满足要求。

不允许构件开裂，运营期间混凝土压应力限值要求：

−3.475 MPa<0.5fc<16.75 MPa

fc：混凝土抗拉极限强度（MPa）。

运营期间混凝土拉应力限值要求，出现拉应力，但没有开裂。

1.375 MPa<0.7fct<2.1 MPa

fct：混凝土抗拉计算强度（MPa）。

运营期间预应力钢筋应力限值要求：

1 094.3 MPa<0.6fpk<111 6MPa

fpk：抗拉强度标准值。

3.4 实体有限元分析

采用ANSYS软件构建实体有限元分析模型，其中，混凝土：SOLID95单元，钢筋：LINK8单元，两类单元节点耦合，预应力通过初应变施加，最后施加边界条件和荷载，分考虑预应力损失和不考虑预应力损失两种情况，分析求解。

3.4.1 应力结果

计算结果如图4所示。图中，RLD表示不考虑预应力损失，RD表示考虑预应力损失。

3.4.2 变形结果

竖向位移如图5所示。

4 现场测试

4.1 试验设备及测点布置

分别针对梁KL-GD-1、梁KL-GD-2选梁与柱相交的两侧根部截面进行监测，在截面内的上中下部埋设埋入式混凝土应变计，其量程为±1 500με，灵敏度为1με，带有温度修整功能，如图6。预应力筋在根部截面的应力情况，可以通过混凝土的压应力情况间接计算得到。采用东方所的INV3060S型24位动态信号采集仪，见图7。现场监测该站轨道层预應力挑梁的应力、应变变化状况。

4.2 现场检测结果分析

现场检测3次，根据现场检测结果，截面应变沿高度方向的分布符合平截面假定，混凝土应力沿高度方向的分布见图8～9。

根据检测结果可知：营运前后，悬挑梁KL-GL-1、KL-GL-2根部截面沿高度方向均为压应变，均为全截面受压，压应变由梁底部向梁顶增大，最大压应变分别小于300με、350με，相应的混凝土压应力分别小于10.4 MPa、12.0 MPa，满足结构安全性要求。

4.3 理论计算与检测结果对比分析

为研究有效预应力大小，以及预应力损失对悬挑梁受力的影响，将不同有效预应力下的截面应变沿高度方向的计算值与检测值进行对比，如图10所示，分析知越靠近截面底部，应变对预应力的敏感性越低，预应力损失为317 MPa，即有效预应力为1 078 MPa时，截面中部以上的计算值和测试值基本接近，因此，该悬挑梁的预应力损失值应大致为317 MPa，损失率约为23%，进一步验证了前面预应力损失值计算结果的正确性。

5 结论

（1）承载列车动载的长悬挑构件采用部分预应力设计，可有效解决该车站建筑功能、道路限高、轨顶限高等问题。

（2）长悬挑部分预应力构件在承受列车动荷载情况下，兼顾了“房”“桥”两专业规范，保证了铁路规范的强度、裂缝等指标的要求。

（3）监测结果表明悬挑梁根部截面沿高度方向均为压应变，为全截面受压，且压应变由梁底部向梁顶增大。

（4）长悬挑部分预应力构件的预应力损失值约23%，实测结果与计算结果相符。

参考文献

[1]郭建鹏. 城市轨道交通“桥-建组合式”高架车站结构设计方法[J]. 城市轨道交通研究， 2013（3）： 45-48.

[2]黄武平. 城市轨道交通高架车站结构设计研究 [J]. 智能城市， 2019（10）： 129-130.

[3]张广海， 张文娜. 装配式技术在中小运量轨道交通土建结构中的应用[J].铁路技术创新， 2018（6）： 119-123.

[4]黄长木.建桥结合装配式高架车站关键技术研究[J].桥梁结构， 2018（10）： 82-87.

[5]李松柏.单排树形大悬臂墩柱高架轻轨车站结构设计[J].建筑结构， 2009（3）： 61-65.

[6]张文斌. 成都地铁2号线东延段高架车站主体结构设计[J].城市轨道交通研究， 2013（7）： 55-58.

[7]铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范：TB10002.3—2005[S].北京：中国铁道出版社， 2005.