京滬高速鐵路天津南站站臺(tái)梁設(shè)計(jì)

王 霞，吳大宏

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津 300142)

1 概況

京滬高速鐵路天津南站采用高架橋站，全站位于高架橋上，站房綜合樓采用線下橋式站房。其最大亮點(diǎn)是站橋一體，既節(jié)約用地，又方便快捷。

為方便放置通信信號(hào)電纜、消防管道等設(shè)備以及方便檢修，結(jié)構(gòu)采用上層輔梁與下層主梁的雙層結(jié)構(gòu)。上層輔梁采用鋼筋混凝土縱橫梁結(jié)構(gòu)，縱橫梁上設(shè)置站臺(tái)板，邊縱梁和次邊縱梁與橫梁相交處設(shè)置墩柱，橋面板、縱橫梁與墩柱之間采用剛性連接。下層主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土π形簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)。結(jié)合京滬高速鐵路橋梁跨度及到發(fā)線線形，梁跨為32 m，梁寬為7.569～12 m。站臺(tái)內(nèi)線路及站臺(tái)梁布置見圖1。本文以4號(hào)站臺(tái)梁為例介紹。

本梁的主要施工步驟為:(1)施工下層主梁;(2)張拉下層主梁預(yù)應(yīng)力鋼束;(3)施工上層墩柱;(4)施工上層縱橫梁;(5)施工橋面板，鋪裝成橋。

2 結(jié)構(gòu)分析

(1)上層輔梁計(jì)算

上層輔梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，梁體采用C40混凝土，普通鋼筋采用HPB235鋼筋及HRB335鋼筋。結(jié)構(gòu)計(jì)算采用連續(xù)剛構(gòu)模型，橋面板和縱梁及橫梁分別構(gòu)成T梁，墩柱為剛臂墩，整個(gè)模型共38個(gè)單元、39個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型見圖2。

圖1 站臺(tái)梁布置

圖2 上層結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

恒載為結(jié)構(gòu)自重，把站臺(tái)鋪裝層重力和人群荷載都當(dāng)成二期加載，根據(jù)計(jì)算得出墩柱內(nèi)力以及橋面板、縱梁、橫梁構(gòu)成的T梁內(nèi)力，控制內(nèi)力見表1。根據(jù)內(nèi)力檢算結(jié)構(gòu)配筋，配筋計(jì)算結(jié)果見表2。

通過表1、表2可知:本結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平、裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。

(2)下層主梁計(jì)算

表1 控制內(nèi)力

下層主梁采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，梁體采用C55混凝土，縱、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa的高強(qiáng)低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2 mm，其技術(shù)條件應(yīng)符合GB/T5224—2003標(biāo)準(zhǔn)，普通鋼筋采用HPB235鋼筋及HRB335鋼筋。

表2 結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算結(jié)果

下層結(jié)構(gòu)采用西南交大編制的BSAS程序建立簡(jiǎn)支梁平面模型，模型見圖3。全橋共分22個(gè)單元，23個(gè)節(jié)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)截面寬度根據(jù)有效寬度進(jìn)行了折減。

圖3 下層主梁計(jì)算模型

受結(jié)構(gòu)空間限制，下層主梁梁高2.2 m，梁寬10.5 m。為使結(jié)構(gòu)取得最佳技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果，本梁設(shè)計(jì)過程中擬定了3組腹板厚度:第1組腹板厚度支點(diǎn)處0.8 m，其余位置0.6 m;第2組腹板厚度支點(diǎn)處1 m，其余位置0.7 m;第3組腹板厚度支點(diǎn)處1.2 m，其余位置為0.8 m。計(jì)算結(jié)果見表3。

由表3可知:第1組在施工壓重加到100 kN/m時(shí)，施工過程中出現(xiàn)的混凝土壓應(yīng)力達(dá)到25.63 MPa，超出規(guī)范容許值，造成這種情況的原因是由于腹板過薄，預(yù)應(yīng)力鋼束張拉太多導(dǎo)致施工過程中混凝土壓應(yīng)力過大，這既給施工造成很大困難，又對(duì)主梁的頂板局部承壓產(chǎn)生不利影響;第2組和第3組的各個(gè)應(yīng)力指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，但是通過比較預(yù)應(yīng)力以及混凝土的用量可以得出，第2組既能滿足受力需要又能做到經(jīng)濟(jì)節(jié)約，本文最終采用第2組腹板厚。

表3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比

(3)難點(diǎn)分析

“如何確定下層梁支架的拆除時(shí)間”以及“怎樣選擇施工步驟以便節(jié)約工期”是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。下面分別對(duì)這兩點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。

①下層站臺(tái)梁支架拆除時(shí)間的確定

為了模擬下層站臺(tái)梁支架拆除時(shí)間對(duì)上層站臺(tái)梁內(nèi)力和應(yīng)力的影響，應(yīng)用大型通用有限元程序ANSYS建立空間有限元模型進(jìn)行分析。共進(jìn)行了2組計(jì)算。

模型一:建立包括下層站臺(tái)梁的實(shí)體有限元模型(圖4)。單元類型Solid45。節(jié)點(diǎn)總數(shù)21 383，單元總數(shù)75 114。邊界條件為在下層站臺(tái)梁下加簡(jiǎn)支梁約束。加載方式為在模型上加結(jié)構(gòu)自重和模擬滿布人群荷載的面壓力。

圖4 實(shí)體有限元模型一

圖5 實(shí)體有限元模型二

模型二:建立不包括下層站臺(tái)梁的實(shí)體有限元模型，見圖5。單元類型Solid45。節(jié)點(diǎn)總數(shù)12 178，單元總數(shù)43 297。邊界條件為在上層站臺(tái)梁柱底加固結(jié)約束。加載方式為在模型上加結(jié)構(gòu)自重和模擬滿布人群荷載的面壓力。

計(jì)算結(jié)果見表4。

由表4可知:

a.若上、下層站臺(tái)梁均澆筑完后才拆除下層站臺(tái)梁支架，在結(jié)構(gòu)自重和人群荷載作用下，柱頂、底會(huì)出現(xiàn)8.9 MPa的主拉應(yīng)力，僅僅通過配筋無法解決，不予推薦。

表4 柱頂、柱底應(yīng)力對(duì)比

b.若在下層站臺(tái)梁澆筑完后，即拆除下層站臺(tái)梁支架，在下層站臺(tái)梁自由變形的情況下，在下層站臺(tái)梁上搭設(shè)支架澆筑上層站臺(tái)梁，在結(jié)構(gòu)自重和人群荷載作用下，柱頂、底的最大主拉應(yīng)力減小為3.4 MPa，完全可以通過配筋加以解決。本文推薦采用。

②下層主梁施工步驟的比選

下層結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中考慮了2種施工方案:方案一，a.搭設(shè)下層結(jié)構(gòu)支架→澆筑下層結(jié)構(gòu)混凝土，待下層結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值100%→按 N3、N6、N1、N4、N5 順序張拉鋼束。b. 拆除下層結(jié)構(gòu)支架→澆筑上層結(jié)構(gòu)墩柱→搭設(shè)上層支架→澆筑上層結(jié)構(gòu)混凝土→鋪裝站臺(tái)面。c.拆除上層支架→張拉N2鋼束→鋪裝下層結(jié)構(gòu)防水層和保護(hù)層→成橋。

按照施工方案一，站臺(tái)梁在施工過程中，受天津南站站房整體布置限制，預(yù)應(yīng)力鋼束沒有張拉空間，只能采用逐孔施工，預(yù)應(yīng)力鋼束單端張拉的施工方法。這種施工方法要求必須待N2預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完畢后才能進(jìn)行下一站臺(tái)梁的施工，大大影響了整體施工工期。為縮短施工工期，對(duì)施工方案一進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，設(shè)計(jì)了施工方案二:澆筑完下層結(jié)構(gòu)，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值100%后，按 N3、N6、N1、N4、N5、N2 順序張拉完全部下層結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼束，之后在施工本梁上層結(jié)構(gòu)的同時(shí)施工下一孔站臺(tái)梁的下層結(jié)構(gòu)。該方案需要解決的問題是，在未澆筑上層結(jié)構(gòu)前張拉全部下層結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼束會(huì)導(dǎo)致下層結(jié)構(gòu)混凝土壓應(yīng)力過大，以4號(hào)站臺(tái)為例，達(dá)到了25.56 MPa。為解決該問題，對(duì)施工方案二進(jìn)行微調(diào)，按 N3、N6、N1、N4、N5 順序張拉鋼束后，拆除下層結(jié)構(gòu)支架，下層梁上加壓重，使壓重達(dá)到20 kN/m后張拉N2鋼束，該方案下，以4號(hào)站臺(tái)梁為例，施工過程中下層結(jié)構(gòu)混凝土最大壓應(yīng)力降到21.24 MPa。

最終確定施工方案二:a.搭設(shè)下層結(jié)構(gòu)支架→澆筑下層結(jié)構(gòu)混凝土，待下層結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值100%→按N3、N6、N1、N4、N5順序張拉鋼束。b.拆除下層結(jié)構(gòu)支架→下層結(jié)構(gòu)上施加20 kN壓重→張拉N2鋼束→澆筑上層結(jié)構(gòu)墩柱(此節(jié)點(diǎn)開始施工下一孔站臺(tái)梁下層結(jié)構(gòu))→搭設(shè)上層支架→拆除壓重→澆筑上層結(jié)構(gòu)混凝土→鋪裝站臺(tái)面。c.拆除上層支架→鋪裝下層結(jié)構(gòu)防水層和保護(hù)層→成橋。以4號(hào)站臺(tái)梁為例，兩個(gè)方案在施工過程的檢算結(jié)果見表5。

表5 施工方案應(yīng)力對(duì)比 MPa

由檢算結(jié)果可見:

a.方案二施工過程應(yīng)力水平最大為21.24 MPa，滿足規(guī)范要求。

b.方案二既受力合理、各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求同時(shí)又能大大縮短了施工周期，證明本方案是合理可行的。

c.本文推薦采用方案二。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)計(jì)算，本站臺(tái)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求;

(2)綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)因素，站臺(tái)梁腹板厚度采用1～0.7～1 m;

(3)澆筑上層站臺(tái)梁之前拆除下層站臺(tái)梁的支架能夠有效解決上層梁墩柱柱頂(與橋面板固結(jié)處)、柱底(與下層主梁固結(jié)處)應(yīng)力超限問題;

(4)施工過程中施加壓重能夠解決由于張拉全部鋼束導(dǎo)致的施工階段混凝土壓應(yīng)力超限問題，從而有效解決了站房布置復(fù)雜、工期要求緊張情況下的施工組織難題。之后的施工過程證實(shí)，該施工方法，既保證了結(jié)構(gòu)安全，又保證了施工工期。

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