轨道交通高架车站预应力悬臂盖梁设计分析

姜利华

（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200040）

1 工程概况

宁波地铁1 号线二期工程沿泰山路自西向东沿南侧综合管廊带敷设，如图1 所示。松花江路站为三层高架车站，车站总长度为121.4m，采用单跨双柱双悬臂盖梁的框架结构形式，车站横向柱距为8.0m，两侧分别设置7.0m 悬臂盖梁，车站纵向柱距为12m，共12跨。车站分设站厅层、站台板下层和站台。

图1 松花江路站总平面图

2 设置预应力悬臂盖梁的原因

松花江路为侧式车站采用“桥建部分分离”的结构受力体系，站厅层及站台板下层框架盖梁的最大悬挑长度均为7.0m。车站双柱均布置在路侧绿化带内，其中车站右侧悬臂盖梁下方设置7m 宽单向城市道路，车站站厅层悬臂盖梁截面高度受右侧梁底道路通行净空、站厅层净空和综合管线布置的限制，站厅层及站台板下层悬臂盖梁的最大允许梁高分别为1700mm 和1600mm（见图2）。《地铁设计规范》（GB 50157—2013）规定悬挑梁端的计算挠度限值为=/600，（为悬臂构件的计算长度），按此公式计算悬臂盖梁的挠度限值为= 23.33mm。通过采用PKPM 建模分析得出该车站站厅层悬臂盖梁的最大计算挠度为= 31.26mm，超出《混凝土结构设计规范（2015年版）》（GB 50010—2010）规定的最大 挠度= 23.33mm 的规范要求，悬臂盖梁的配筋率=2.69%，超出最大配筋率= 2.5%的规范要求。

图2 车站横剖面图（尺寸单位：mm、标高单位：m）

该车站悬臂盖梁在截面高度受到限制的条件下，如何采取有效措施解决结构设计计算中的挠度、裂缝及超筋等问题，是悬臂盖梁结构设计的关键。经比选分析，考虑采用后张法预应力混凝土结构，通过设置预应力钢筋，提高受力主筋的抗拉强度，有效降低梁的配筋率。悬臂盖梁设置预应力筋后，预应力筋张拉时的预压反拱抵消部分悬臂盖梁的徐变挠度，从而解决车站横向悬臂盖梁挠度、裂缝及超筋等系列结构问题。

3 预应力计算及分析

3.1 设计规范的选用

轨道交通高架车站兼具桥梁规范与建筑抗震规范的共同受力特点，“桥建分离”“桥建部分分离”“桥建合一”是当前轨道交通高架车站常见的三种结构受力体系，轨道交通高架车站需同时满足桥梁和民用建筑相关规范设计的要求。轨道交通高架车站中承担列车荷载的轨道梁、框架横梁、支承框架横梁的柱、基础等结构主要受力构件，既要满足建筑结构设计规范，还须满足《地铁设计规范》（GB 50157—2013）、《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB 10092—2017）的相关要求。其余不直接承载列车荷载的构件按现行建筑结构设计规范进行结构设计。因此，支承轨道梁的盖梁类构件应选择铁路桥梁规范进行设计，但是对于支承轨道梁的盖梁类构件，按建筑规范设计的构件强度远大于选择铁路桥梁规范计算所得的构件强度。基于此，采用建筑规范对承受轨道梁荷载的站台板下层悬臂盖梁及站厅层的悬臂盖梁进行预应力设计。

该工程采用PKPM 软件对车站进行三维建模分析，如图3 所示。

图3 PKPM 三维整体模型

3.2 荷载计算

3.2.1 列车荷载

宁波地铁1 号线二期采用的是国标B 型车，车厢长度19.52m，列车按6 辆编组。 车辆最大轴重140kN，最小轴重65kN，计算时最大、最小轴重按每节车长随机组合排列。采用的车辆形式如图4 所示。

图4 列车轮压示意图（单位：cm）

该工程轨道梁采用橡胶支座作用在车站框架横梁上，计算模型中在橡胶支座作用点处输入列车及水平荷载。

3.2.2 结构恒活载

车站其他主要荷载有楼屋面恒、活载（包括人群荷载、设备荷载等）、风载、雪载、温度荷载等。

3.2.3 地震荷载

根据《宁波市轨道交通1 号线二期工程场地设计地震动参数专题报告》，松花江路站抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度为0.102g，场地类别为III类，设计地震分组为第一组，特征周期为0.53s；根据《建筑结构抗震设计规范（2016年版）》（GB 50011—2010）规定，该站为乙类设防，框架抗震等级为二级。

3.3 预应力钢绞线的设置原则

3.3.1 预应力钢绞线的选择

车站站厅层及站台板下层悬臂盖梁均采用后张法有黏结预应力技术，该工程预应力以《预应力混凝土结构设计规范》（JGJ 369—2016）作为设计依据，预应力筋采用极限强度标准值= 1860MPa 的高强低松弛钢绞线，预应力张拉控制应力为= 0.7×1860 = 1302MPa，= 1.95×10MPa。

3.3.2 预应力钢绞线的基本线形布置

根据双向悬臂盖梁的结构受力特点，中间跨盖梁布置为直线型的预应力钢绞线，预应力钢绞线分2 排布置，每排4 孔，2 排预应力钢筋距离梁顶尺寸分别为250mm 和450mm。盖梁悬臂端采用两段反向相切抛物线与中间跨预应力钢筋顺接，悬臂端2 排预应力钢绞线距离梁顶尺寸分别为465mm 和830mm。

3.3.3 锚具及波纹管的选用

预应力盖梁混凝土强度等级为C40，弹性模量= 3.25×10MPa。预应力钢筋一端固定，一端张拉。张拉端采用夹片式锚具，并预留内置锚头张拉器，代替临时钢绞线，达到节约成本的目的；固定端采用挤压式锚具，锚具安装在结构内，张拉完成后采用C45 级微膨胀细石混凝土封闭。预应力钢绞线预埋孔道采用直径为90mm 的塑料波纹管，预应力钢绞线张拉完成后对孔道采用强度等级为42.5 普通硅酸盐水泥灌浆固结。

3.4 预应力悬臂盖梁计算分析

3.4.1 预应力配筋设计

预应力钢绞线线形的设置需满足预应力产生的综合弯矩与横向悬臂盖梁在荷载准永久组合、标准组合下的弯矩相吻合，线形布置是否合理直接影响梁结构的抗裂验算，若抗裂计算满足要求，说明预应力钢绞线线形布置合适。

可按下式确定预应力钢绞线面积：

式（1）中：表示预应力筋有效预加力；表示张拉控制应力；σ表示预应力总损失。

选取其中一榀横向预应力悬臂盖梁进行分析。该车站的设计使用年限为100年，环境类别为二a，正常使用极限状态下的盖梁的裂缝宽度按0.2mm 控制。悬臂盖梁的普通钢筋、预应力钢绞线如图5、图6所示。

图5 悬臂盖梁预应力配筋示意图（尺寸单位：mm）

图6 悬臂盖梁截面配筋图（尺寸单位：mm）

3.4.2 预应力钢绞线的张拉控制及相关事项

预应力悬臂盖梁在使用阶段的预加力反拱值按刚度EI进行计算，并考虑预压应力长期作用的影响，计算中预应力钢筋的应力应扣除全部预应力损失，计算的反拱值应乘以=2.0 增大系数。

预应力悬臂盖梁对挠度较敏感，在施工过程中应通过预应力筋的张拉次序合理控制盖梁的反拱和挠度。结合悬臂盖梁的受力特点，预应力张拉时应避免悬臂盖梁出现较大的反拱而造成盖梁梁底根部开裂，因而在施工时不应随意变更预应力筋的张拉次序。预应力盖梁设计时应充分考虑施工顺序及施工荷载对盖梁根部的影响，若结构最终受力状态和施工过程状态不同，且施工过程状态不能满足结构受力要求时，应及时进行施工过程优化。

混凝土强度达到100%后允许进行预应力钢绞线的张拉，工程的预应力钢绞线张拉顺序为：张拉上排中间2 束N2 钢绞线—张拉下排中间2 束N4 钢绞线—张拉上排外侧2 束N1 钢绞线—完成下排外侧2 束N3钢绞线张拉。

3.4.3 非预应力筋计算

预应力混凝土盖梁截面计入纵向受压钢筋的混凝土受压区高度应满足x≤0.35h，按普通钢筋抗拉强度设计值换算的全部纵向受拉钢筋配筋率= 2.5%。结合该工程悬臂盖梁的特点，通过反复计算并调整预应力钢绞线的设置高度及预应力钢绞线的配置数量，预应力钢筋换算成非预应力钢筋后梁全部纵向受拉钢筋实际配筋率控制在= 2.40%，满足规范要求。

同时梁端截面配筋A应满足下列公式要求：式（2）中：表示预应力筋抗拉强度设计值；表示普通钢筋抗拉强度设计值；表示预应力筋重心离截面受压区边缘纤维距离；表示普通钢筋重心离截面受压区边缘纤维距离；表示受拉区纵向预应力筋的截面面积。

3.4.4 预应力盖梁挠度计算

通过PKPM 三维建模分析计算：预应力钢绞线张拉结束后悬臂盖梁反拱值达到了13.2mm，抵消了原普通悬臂盖梁1/2 左右的挠度值。在荷载标准组合工况下，考虑荷载长期作用的影响，计算得到预应力悬臂盖梁最大挠度为= 14.96mm（见图7），远小于= 23.33mm 的挠度限值，满足规范要求。

图7 预应力悬臂盖梁挠度计算模型（挠度单位：mm）

4 结语

宁波地铁1 号线二期工程已开通运营6年，从现场监测数量来看，高架车站横向预应力悬臂盖梁的实际挠度与设计计算挠度值基本吻合，横向预应力悬臂盖梁没有发现肉眼可见的开裂变形，证明车站横向预应力悬臂盖梁在轨道交通高架车站的应用是合理可行的。实际工程应用中若考虑反拱计算的盖梁长期挠度仍不满足要求，应通过施工预起拱等方式合理地调整控制盖梁挠度，通常预起拱按= 0.1%～0.3%考虑。