姜利華

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200040）

1 工程概況

寧波地鐵1 號(hào)線二期工程沿泰山路自西向東沿南側(cè)綜合管廊帶敷設(shè)，如圖1 所示。松花江路站為三層高架車站，車站總長(zhǎng)度為121.4m，采用單跨雙柱雙懸臂蓋梁的框架結(jié)構(gòu)形式，車站橫向柱距為8.0m，兩側(cè)分別設(shè)置7.0m 懸臂蓋梁，車站縱向柱距為12m，共12跨。車站分設(shè)站廳層、站臺(tái)板下層和站臺(tái)。

圖1 松花江路站總平面圖

2 設(shè)置預(yù)應(yīng)力懸臂蓋梁的原因

松花江路為側(cè)式車站采用“橋建部分分離”的結(jié)構(gòu)受力體系，站廳層及站臺(tái)板下層框架蓋梁的最大懸挑長(zhǎng)度均為7.0m。車站雙柱均布置在路側(cè)綠化帶內(nèi)，其中車站右側(cè)懸臂蓋梁下方設(shè)置7m 寬單向城市道路，車站站廳層懸臂蓋梁截面高度受右側(cè)梁底道路通行凈空、站廳層凈空和綜合管線布置的限制，站廳層及站臺(tái)板下層懸臂蓋梁的最大允許梁高分別為1700mm 和1600mm（見圖2）。《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157—2013）規(guī)定懸挑梁端的計(jì)算撓度限值為=/600，（為懸臂構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度），按此公式計(jì)算懸臂蓋梁的撓度限值為= 23.33mm。通過采用PKPM 建模分析得出該車站站廳層懸臂蓋梁的最大計(jì)算撓度為= 31.26mm，超出《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015年版）》（GB 50010—2010）規(guī)定的最大 撓度= 23.33mm 的規(guī)范要求，懸臂蓋梁的配筋率=2.69%，超出最大配筋率= 2.5%的規(guī)范要求。

圖2 車站橫剖面圖（尺寸單位：mm、標(biāo)高單位：m）

該車站懸臂蓋梁在截面高度受到限制的條件下，如何采取有效措施解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中的撓度、裂縫及超筋等問題，是懸臂蓋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。經(jīng)比選分析，考慮采用后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋，提高受力主筋的抗拉強(qiáng)度，有效降低梁的配筋率。懸臂蓋梁設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋后，預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)的預(yù)壓反拱抵消部分懸臂蓋梁的徐變撓度，從而解決車站橫向懸臂蓋梁撓度、裂縫及超筋等系列結(jié)構(gòu)問題。

3 預(yù)應(yīng)力計(jì)算及分析

3.1 設(shè)計(jì)規(guī)范的選用

軌道交通高架車站兼具橋梁規(guī)范與建筑抗震規(guī)范的共同受力特點(diǎn)，“橋建分離”“橋建部分分離”“橋建合一”是當(dāng)前軌道交通高架車站常見的三種結(jié)構(gòu)受力體系，軌道交通高架車站需同時(shí)滿足橋梁和民用建筑相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)的要求。軌道交通高架車站中承擔(dān)列車荷載的軌道梁、框架橫梁、支承框架橫梁的柱、基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件，既要滿足建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，還須滿足《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157—2013）、《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10092—2017）的相關(guān)要求。其余不直接承載列車荷載的構(gòu)件按現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，支承軌道梁的蓋梁類構(gòu)件應(yīng)選擇鐵路橋梁規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是對(duì)于支承軌道梁的蓋梁類構(gòu)件，按建筑規(guī)范設(shè)計(jì)的構(gòu)件強(qiáng)度遠(yuǎn)大于選擇鐵路橋梁規(guī)范計(jì)算所得的構(gòu)件強(qiáng)度?；诖?，采用建筑規(guī)范對(duì)承受軌道梁荷載的站臺(tái)板下層懸臂蓋梁及站廳層的懸臂蓋梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。

該工程采用PKPM 軟件對(duì)車站進(jìn)行三維建模分析，如圖3 所示。

圖3 PKPM 三維整體模型

3.2 荷載計(jì)算

3.2.1 列車荷載

寧波地鐵1 號(hào)線二期采用的是國(guó)標(biāo)B 型車，車廂長(zhǎng)度19.52m，列車按6 輛編組。 車輛最大軸重140kN，最小軸重65kN，計(jì)算時(shí)最大、最小軸重按每節(jié)車長(zhǎng)隨機(jī)組合排列。采用的車輛形式如圖4 所示。

圖4 列車輪壓示意圖（單位：cm）

該工程軌道梁采用橡膠支座作用在車站框架橫梁上，計(jì)算模型中在橡膠支座作用點(diǎn)處輸入列車及水平荷載。

3.2.2 結(jié)構(gòu)恒活載

車站其他主要荷載有樓屋面恒、活載（包括人群荷載、設(shè)備荷載等）、風(fēng)載、雪載、溫度荷載等。

3.2.3 地震荷載

根據(jù)《寧波市軌道交通1 號(hào)線二期工程場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)專題報(bào)告》，松花江路站抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震基本加速度為0.102g，場(chǎng)地類別為III類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，特征周期為0.53s；根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》（GB 50011—2010）規(guī)定，該站為乙類設(shè)防，框架抗震等級(jí)為二級(jí)。

3.3 預(yù)應(yīng)力鋼絞線的設(shè)置原則

3.3.1 預(yù)應(yīng)力鋼絞線的選擇

車站站廳層及站臺(tái)板下層懸臂蓋梁均采用后張法有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，該工程預(yù)應(yīng)力以《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 369—2016）作為設(shè)計(jì)依據(jù)，預(yù)應(yīng)力筋采用極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值= 1860MPa 的高強(qiáng)低松弛鋼絞線，預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力為= 0.7×1860 = 1302MPa，= 1.95×10MPa。

3.3.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線的基本線形布置

根據(jù)雙向懸臂蓋梁的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，中間跨蓋梁布置為直線型的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)應(yīng)力鋼絞線分2 排布置，每排4 孔，2 排預(yù)應(yīng)力鋼筋距離梁頂尺寸分別為250mm 和450mm。蓋梁懸臂端采用兩段反向相切拋物線與中間跨預(yù)應(yīng)力鋼筋順接，懸臂端2 排預(yù)應(yīng)力鋼絞線距離梁頂尺寸分別為465mm 和830mm。

3.3.3 錨具及波紋管的選用

預(yù)應(yīng)力蓋梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，彈性模量= 3.25×10MPa。預(yù)應(yīng)力鋼筋一端固定，一端張拉。張拉端采用夾片式錨具，并預(yù)留內(nèi)置錨頭張拉器，代替臨時(shí)鋼絞線，達(dá)到節(jié)約成本的目的；固定端采用擠壓式錨具，錨具安裝在結(jié)構(gòu)內(nèi)，張拉完成后采用C45 級(jí)微膨脹細(xì)石混凝土封閉。預(yù)應(yīng)力鋼絞線預(yù)埋孔道采用直徑為90mm 的塑料波紋管，預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉完成后對(duì)孔道采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5 普通硅酸鹽水泥灌漿固結(jié)。

3.4 預(yù)應(yīng)力懸臂蓋梁計(jì)算分析

3.4.1 預(yù)應(yīng)力配筋設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力鋼絞線線形的設(shè)置需滿足預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的綜合彎矩與橫向懸臂蓋梁在荷載準(zhǔn)永久組合、標(biāo)準(zhǔn)組合下的彎矩相吻合，線形布置是否合理直接影響梁結(jié)構(gòu)的抗裂驗(yàn)算，若抗裂計(jì)算滿足要求，說明預(yù)應(yīng)力鋼絞線線形布置合適。

可按下式確定預(yù)應(yīng)力鋼絞線面積：

式（1）中：表示預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)加力；表示張拉控制應(yīng)力；σ表示預(yù)應(yīng)力總損失。

選取其中一榀橫向預(yù)應(yīng)力懸臂蓋梁進(jìn)行分析。該車站的設(shè)計(jì)使用年限為100年，環(huán)境類別為二a，正常使用極限狀態(tài)下的蓋梁的裂縫寬度按0.2mm 控制。懸臂蓋梁的普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼絞線如圖5、圖6所示。

圖5 懸臂蓋梁預(yù)應(yīng)力配筋示意圖（尺寸單位：mm）

圖6 懸臂蓋梁截面配筋圖（尺寸單位：mm）

3.4.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉控制及相關(guān)事項(xiàng)

預(yù)應(yīng)力懸臂蓋梁在使用階段的預(yù)加力反拱值按剛度EI進(jìn)行計(jì)算，并考慮預(yù)壓應(yīng)力長(zhǎng)期作用的影響，計(jì)算中預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力應(yīng)扣除全部預(yù)應(yīng)力損失，計(jì)算的反拱值應(yīng)乘以=2.0 增大系數(shù)。

預(yù)應(yīng)力懸臂蓋梁對(duì)撓度較敏感，在施工過程中應(yīng)通過預(yù)應(yīng)力筋的張拉次序合理控制蓋梁的反拱和撓度。結(jié)合懸臂蓋梁的受力特點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)應(yīng)避免懸臂蓋梁出現(xiàn)較大的反拱而造成蓋梁梁底根部開裂，因而在施工時(shí)不應(yīng)隨意變更預(yù)應(yīng)力筋的張拉次序。預(yù)應(yīng)力蓋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮施工順序及施工荷載對(duì)蓋梁根部的影響，若結(jié)構(gòu)最終受力狀態(tài)和施工過程狀態(tài)不同，且施工過程狀態(tài)不能滿足結(jié)構(gòu)受力要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行施工過程優(yōu)化。

混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后允許進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉，工程的預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉順序?yàn)椋簭埨吓胖虚g2 束N2 鋼絞線—張拉下排中間2 束N4 鋼絞線—張拉上排外側(cè)2 束N1 鋼絞線—完成下排外側(cè)2 束N3鋼絞線張拉。

3.4.3 非預(yù)應(yīng)力筋計(jì)算

預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁截面計(jì)入縱向受壓鋼筋的混凝土受壓區(qū)高度應(yīng)滿足x≤0.35h，按普通鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值換算的全部縱向受拉鋼筋配筋率= 2.5%。結(jié)合該工程懸臂蓋梁的特點(diǎn)，通過反復(fù)計(jì)算并調(diào)整預(yù)應(yīng)力鋼絞線的設(shè)置高度及預(yù)應(yīng)力鋼絞線的配置數(shù)量，預(yù)應(yīng)力鋼筋換算成非預(yù)應(yīng)力鋼筋后梁全部縱向受拉鋼筋實(shí)際配筋率控制在= 2.40%，滿足規(guī)范要求。

同時(shí)梁端截面配筋A應(yīng)滿足下列公式要求：式（2）中：表示預(yù)應(yīng)力筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；表示普通鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；表示預(yù)應(yīng)力筋重心離截面受壓區(qū)邊緣纖維距離；表示普通鋼筋重心離截面受壓區(qū)邊緣纖維距離；表示受拉區(qū)縱向預(yù)應(yīng)力筋的截面面積。

3.4.4 預(yù)應(yīng)力蓋梁撓度計(jì)算

通過PKPM 三維建模分析計(jì)算：預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉結(jié)束后懸臂蓋梁反拱值達(dá)到了13.2mm，抵消了原普通懸臂蓋梁1/2 左右的撓度值。在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合工況下，考慮荷載長(zhǎng)期作用的影響，計(jì)算得到預(yù)應(yīng)力懸臂蓋梁最大撓度為= 14.96mm（見圖7），遠(yuǎn)小于= 23.33mm 的撓度限值，滿足規(guī)范要求。

圖7 預(yù)應(yīng)力懸臂蓋梁撓度計(jì)算模型（撓度單位：mm）

4 結(jié)語(yǔ)

寧波地鐵1 號(hào)線二期工程已開通運(yùn)營(yíng)6年，從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)量來(lái)看，高架車站橫向預(yù)應(yīng)力懸臂蓋梁的實(shí)際撓度與設(shè)計(jì)計(jì)算撓度值基本吻合，橫向預(yù)應(yīng)力懸臂蓋梁沒有發(fā)現(xiàn)肉眼可見的開裂變形，證明車站橫向預(yù)應(yīng)力懸臂蓋梁在軌道交通高架車站的應(yīng)用是合理可行的。實(shí)際工程應(yīng)用中若考慮反拱計(jì)算的蓋梁長(zhǎng)期撓度仍不滿足要求，應(yīng)通過施工預(yù)起拱等方式合理地調(diào)整控制蓋梁撓度，通常預(yù)起拱按= 0.1%～0.3%考慮。