节段拼装简支梁在市域轨道交通应用的性能分析

周海东

(1.东南大学土木工程学院，江苏 南京 211189; 2.无锡地铁建设有限责任公司，江苏 无锡 214000)

1 概述

十三五时期，新基建领域轨道交通得到迅猛发展，同时结合基建智能绿色产业发展要求，尤其是市域轨道交通大面积涉及城郊、农村的绿化、湿地、林地、耕地等用地，节段预制拼装梁技术以轻量化、便捷化、施工周期短等特点得到迅速发展。通过衔接桥梁设计、桥梁节段预制施工、桥梁运维管理全过程，全面提升设计效率，改善施工质量，加强运维管理，真正实现绿色桥梁、智能桥梁、智慧桥梁。

轨道交通桥梁与公路桥梁的不同之处在于轨道交通桥梁宽度固定，活荷载离散性小，较公路桥梁更加适合采用预制节段梁拼装。随着我国桥梁技术的发展，节段预制拼装造桥技术从20世纪90年代开始得到较广泛应用和发展，例如上海新浏河大桥、上海沪闵高架、苏通大桥引桥、厦门集美大桥、上海轨道交通明珠线、广州地铁4号、6号线、郑州至许昌市域轨道交通等项目均采用了节段预制拼装技术[1-2]。

节段预制拼装技术相当于传统支架现浇和整体预制主要优势表现在：单个梁段体积小，重量轻，可以多节点同时架梁施工，施工速度快，工期短；梁体的预制工厂化，施工质量好，生产效率高；节段箱梁的养护时间长，成桥后梁体的徐变和预应力损失小；有利于桥位处的环保，减少对周边环境的影响。

虽然目前节段预制拼装技术已有较大规模的应用，但相对于我国在建桥梁总量仍是占比很低，且节段预制拼装桥梁的抗弯、抗剪性能受体内外预应力的配置比例、配筋率、接缝的类型和位置等因素的影响[3-4]，与整体式桥梁相比存在较大的差异。为真实反映在静载和运营阶段的受力性能，因此对节段拼装简支梁体进行有限元计算分析。

2 工程概况

无锡市域轨道锡澄S1线为连接无锡与江阴主城区，途经尚未规模化开发的城郊与乡镇农村，旨在实现区域化发展一体两翼的战略目标。该线路起于江阴外滩站，止于无锡地铁1号线堰桥站，线路全长30.4 km，其中高架线19.7 km，设站9座，平均站间距3.42 km，线路高架段沿徐霞客大道敷设，桥梁选址范围地势平坦，交通发达，水系发育。桥梁标准段采用35 m节段预制拼装简支梁(见图1)，结构采用单箱单室斜腹板箱梁截面；梁顶宽9.3 m，梁底宽4.0 m，翼缘悬臂长2.35 m，梁高2 m；顶板厚0.3 m，底板厚0.28 m，支点附近顶底板局部分别加厚至0.5 m，0.6 m；腹板厚度0.35 m，支点附近加厚至0.55 m，节段块长2.5 m。为满足施工管理需要，在箱梁底部设置进人孔，在箱梁腹板和底板上均留有通风孔和排水孔，详细构造尺寸如图2所示。

全桥纵向预应力设置包括腹板束、底板束。腹板束、底板束采用7Φs15.2钢绞线和13Φs15.2钢绞线，内径70 mm和 内径90 mm的塑料波纹管预埋成孔，YJM15-7和YJM15-13锚具锚固，预应力钢束布置如图3所示。

3 有限元计算模型

3.1 计算模型建立

本文选取35 m节段预制拼装简支梁作为研究对象，采用MIDAS/civil进行上部结构模拟计算[5]。主梁用梁单元模拟，共采用12个梁单元，21个节点(包括4个支座顶节点、4个支座底节点)，支座顶与主梁采用刚性连接，支座顶底采用节点弹性连接模拟，设置两个固定支座，两个纵向滑动支座。计算模型如图4所示。

梁体采用C50混凝土、桥墩采用C40混凝土；纵向预应力采用7Φs15.2钢绞线和13Φs15.2钢绞线以及YJM15-7和YJM15-13锚具锚固；体内预应力锚下张拉控制应力为1 302 MPa，预应力筋与管道的摩擦系数和孔道偏差系数分别取0.17和0.001 5，松弛系数0.025，锚具变形、钢筋回缩、接缝压缩值取0.006 m；混凝土的收缩应变和徐变系数终级值按JTG 3362—2018公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范考虑。材料指标参数取值见表1。

表1 材料指标参数表

3.2 工况荷载

分析时采用的主力工况包括：1)结构自重：混凝土容重为26 kN/m3；2)二期恒载：双线桥按95 kN/m考虑；3)混 凝土的收缩应变和徐变系数终级值按JTG 3362—2018公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范考虑；4)相邻墩台不均匀沉降量之差不应超过10 mm；5)列车标准活载计算按所选用的机车类型确定(见图5)，轴重P=150 kN，当轴重与影响线异号时取空车，共6节车厢；横向摇摆力按相邻两节车四个轴轴重的15%以集中力形式作用于跨中、墩顶等位置轨顶面处，然后取最不利位置；无缝线路的纵向水平力固定区35 m跨简支梁伸缩力T1=89 kN/轨，挠曲力T2=35 kN/轨。

分析时采用的附加力工况包括：列车制动力或牵引力考虑应按列车竖向静活载的15%计算，当与离心力组合时，制动力或牵引力按照列车静活载10%计算；区间双线桥应采用一条线的制动力或牵引力。地铁车辆B型车活载对应制动力为：制动力(15%静活载)：集中荷载6×4×150×0.15=540 kN。风荷载强度按W=K1K2K3W0计算，其中基本风压W0=0.6 kN/m2，主梁风荷载为2.028 kN/m，挡板风荷载为1.115 4 kN/m。系统温差按±25 ℃考虑。

分析时采用的特殊荷载包括：设计基本地震加速度为0.10g，抗震设防烈度为7度，场区所属的设计地震分组为第一组，特征周期为0.65 s；无缝线路的断轨力880 kN/轨；汽车撞击力按现行《地铁设计规范》的相关规定执行。

3.3 荷载组合

根据设计结构体系，集中选取了5种工况：

1)主力组合1恒载：自重+二期恒载+预应力+混凝土收缩徐变+基础变位。

2)主力组合2活载：列车活载+列车竖向动力作用+离心力+横向摇摆力。

3)主力组合3：恒载+活载。

4)主力+纵向附加力组合：主力组合+升降温组合包络+整体温差包络+纵向风荷载包络工况+制动力工况。

5)主力+横向附加力组合：主力组合+横向风荷载包络工况。

根据不同设计状况，进行梁体应力、梁体内力及强度的验算。

4 计算结果分析

4.1 施工阶段应力验算

根据有限元模型计算分析，可得节段预制拼装简支梁在铺装二期恒载后和徐变十年后主梁上缘和下缘应力，应力分布如图6，图7所示。

节段预制拼装简支梁在铺装二期恒载后，主梁全断面受压，主梁最大上缘应力为-4.6 MPa，最大下缘应力为-17.6 MPa；徐变十年完成后，主梁全断面受压，主梁最大上缘应力为-4.8 MPa，最大下缘应力为-16.2 MPa。因此可知梁体上缘压应力随着结构徐变影响逐步增加，下缘压应力逐步减小。

根据相关规范要求[6]，在传力锚固阶段，计入构件自重作用后，混凝土的压应力应符合σc≤0.75fc=25.125 MPa；拉应力应符合σct≤0.7fct=2.17 MPa。因为施工阶段最大压应力17.6 MPa<σc≤0.75fc=25.125 MPa，因此节段预制拼装简支梁施工阶段应力满足要求。

4.2 运营阶段应力验算

4.2.1 主梁正应力验算

根据有限元模型计算分析，可得节段预制拼装简支梁在运营阶段荷载组合工况下主梁上缘和下缘应力，应力分布如图8，图9所示。

节段预制拼装简支梁在运营阶段，在主力组合作用下，主梁上缘最大压应力为-7.6 MPa，主梁下缘最大压应力为-16.3 MPa；在主力+附加力组合作用下，主梁上缘最大压应力为-10.7 MPa，主梁下缘最大压应力为-16.8 MPa。

根据相关规范要求，节段拼装梁混凝土在主力组合作用的是压应力应符合σc≤0.5fc=16.75 MPa，在主力+附加力组合作用下的压应力应符合σc≤0.55fc=18.425 MPa，拉应力应符合σct≤0.7fct=2.17 MPa。因为在运营阶段主力组合作用下主梁最大正应力16.3 MPa<σc≤0.5fc=16.75 MPa，主力+附加力组合作用下主梁最大正应力16.8 MPa<σc≤0.55fc=18.425 MPa，因此节段预制拼装简支梁运营阶段主梁正应力满足要求。

4.2.2 主梁强度验算

根据有限元模型计算分析，节段预制拼装梁在主力组合和主力+附加力组合作用下极限抗弯强度为90 363 kN·m，极限抗剪强度为11 793 kN·m。在不同工况下主梁最大弯矩计算结果如表2所示。

表2 不同工况下主梁内力汇总

根据规范要求，进行使用阶段正截面抗弯强度验算，其中正截面抗弯强度考虑0.95折减系数，斜截面抗剪验算考虑0.9折减系数。

主力组合最小抗弯强度安全系数为K=90 363/43 841=2.06，最小抗剪强度安全系数K=11 793/5 683=2.08，主力组合安全系数K≥2.0，满足规范要求。

主力+附加力组合最小抗弯强度安全系数为K=90 363/43 841=2.06，最小抗剪强度安全系数K=11 793/5 683=2.08，主力+附加力组合安全系数K≥1.8，满足规范要求。

4.2.3 主梁抗裂性能验算

根据有限元模型计算分析，节段预制拼装梁在主力组合作用下正截面最小抗裂安全系数Kf=1.45，最大主拉应力σtp=0.9 MPa，最大主压应力σcp=-12.9 MPa；主力+附加力组合作用下正截面最小抗裂安全系数Kf=1.36，最大主拉应力σtp=1.0 MPa，最大主压应力σcp=-14.3 MPa。

根据规范要求，对于运营荷载作用下，对不允许出现拉应力的构件(扣除全部预应力损失后)其正截面抗裂安全系数应满足Kf≤σc+rfct；运营荷载作用下斜截面最大拉应力σtp≤fct=3.1 MPa；主力组合荷载作用下斜截面最大压应力σcp≤0.6fc=20.1 MPa；主力+附加力组合荷载作用下斜截面最大压应力σcp≤0.66fc=22.11 MPa。

在主力组合作用下正截面最小抗裂安全系数Kf=1.45≤σc+rfct=4.76，最大主拉应力σtp=0.9 MPa≤fct=3.1 MPa，最大主压应力σcp=12.9 MPa≤0.6fc=20.1 MPa；在主力+附加力组合作用下正截面最小抗裂安全系数Kf=1.36≤σc+rfct=3.53，最大主拉应力σtp=1.0 MPa≤fct=3.1 MPa，最大主压应力σcp=14.3 MPa≤0.66fc=22.11 MPa，均满足规范要求。

因此，节段预制拼装简支梁在运营阶段主梁抗裂性能满足要求。

4.2.4 主梁抗剪性能验算

根据有限元模型计算分析，可得节段预制拼装简支梁在运营阶段荷载组合工况下主梁剪应力，应力分布如图10，图11所示。

节段预制拼装简支梁运营阶段在主力组合作用下，主梁混凝土最大剪应力τc=τ-τp=1.6 MPa；在主力+附加力组合作用下，主梁混凝土最大剪应力τc=τ-τp=1.6 MPa。

根据相关规范要求，在运营荷载作用下，混凝土的最大剪应力应符合要求：τc=τ-τp≤0.17fc=5.695 MPa，主梁混凝土在主力组合作用下和主力+附加力作用下最大剪应力均符合规范要求，因此节段预制拼装简支梁运营阶段主梁抗剪性能满足要求。

5 结语

本文以无锡至江阴城际轨道交通工程高架区间阶段预支拼装简支梁为研究背景，运用MIDAS软件模拟其在施工阶段和运营阶段等不同工况下的受力模型，研究节段预制拼装梁整体受力特性，重点研究拼装施工阶段的结构状态对实际结构体系的影响，主要结论如下：

1)通过有效的有限元建模计算，合理分析了节段拼装简支梁在施工过程中应力分布情况，验证了梁体的安全性和稳定性。

2)基于模型分析，考虑十年徐变对预制节段拼装简支梁在使用维护中的应力分布变化，验证了梁体在后续使用中的耐久性和安全性。

3)通过考虑运营荷载和其他附加力作用影响，获得了节段拼装梁体在运营阶段强度、应力、抗裂和抗剪性能参数，与规范比较确定了节段拼装梁在运营阶段的安全性。

4)通过对本工程标准跨度35 m预制节段拼装梁不同阶段受力分析，得出安全、可靠技术结论的同时，也为长三角区域化发展过程中市域轨道、城际铁路快速发展中节段预制拼装梁的普遍应用提供工程实践参考。