橫撐式U形槽結(jié)構(gòu)在某鐵路工程中的應(yīng)用研究

張世杰，宣立華，饒　增

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

橫撐式U形槽結(jié)構(gòu)在某鐵路工程中的應(yīng)用研究

張世杰，宣立華，饒?jiān)?/p>

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

摘要：U形槽結(jié)構(gòu)已在很多工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，但是當(dāng)U形槽結(jié)構(gòu)跨度較大、邊墻較高(一般大于12 m)、外部荷載較大時(shí)，采用常規(guī)形式的U形槽結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需要，通過(guò)在U形槽結(jié)構(gòu)內(nèi)增加橫向支撐的構(gòu)件，改變結(jié)構(gòu)整體的受力情況，從而滿足工程設(shè)計(jì)需要。結(jié)合某鐵路橫撐式U形槽工點(diǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程，從結(jié)構(gòu)荷載分析、模型受力分析、結(jié)構(gòu)尺寸檢算、結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算、結(jié)構(gòu)裂縫驗(yàn)算及抗浮計(jì)算6個(gè)方面對(duì)橫撐式U形槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹，為橫撐式U形槽結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：鐵路路基；U形槽；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

U形槽結(jié)構(gòu)已經(jīng)在高地下水位路塹、公路下穿引道等工程中得到了廣泛的應(yīng)用，隨著我國(guó)高速鐵路及城際軌道交通項(xiàng)目的快速發(fā)展，為了使鐵路線路更好地與城市規(guī)劃相結(jié)合，通常采用地下隧道工程通過(guò)城市建筑密集地帶，隧道進(jìn)出口部分采用U形槽結(jié)構(gòu)過(guò)渡的方式在工程中比較常見(jiàn)，但是由于高速鐵路線間距較大、路基面較寬、隧道進(jìn)出口處挖深大，地下水位較高，同時(shí)還需考慮雨棚、聲屏障支柱附加于邊墻的外部荷載，使得采用常規(guī)U形槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)中，U形槽邊墻、底板結(jié)構(gòu)尺寸較大，造成工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。橫撐式U形槽結(jié)構(gòu)是在常規(guī)U形槽結(jié)構(gòu)中，增加橫撐構(gòu)件，使U形槽結(jié)構(gòu)受力發(fā)生改變，可以有效減小U形槽結(jié)構(gòu)的截面尺寸，同時(shí)可以滿足工程設(shè)計(jì)的需要，與常規(guī)形式的U形槽結(jié)構(gòu)相比，更經(jīng)濟(jì)合理。以下通過(guò)某鐵路橫撐式U形槽工點(diǎn)設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹該結(jié)構(gòu)的計(jì)算過(guò)程，工點(diǎn)設(shè)計(jì)思路。

1工程概況

1.1場(chǎng)地概況

本工程位于華北平原的北端，地形平坦，地勢(shì)較低，地面高程一般在50 m以下。沿線建筑物密集，城市干道較多，為避免鐵路工程影響城市交通運(yùn)輸及道路規(guī)劃設(shè)計(jì)，采用地下隧道方式通過(guò)，隧道進(jìn)出口兩端第四系地層較厚，地下水位較高，路基工程擬定采用鋼筋混凝土U形槽結(jié)構(gòu)[1-4]通過(guò)。

1.2地層巖性

場(chǎng)地工程范圍內(nèi)主要揭示以下地層：

人工填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂及細(xì)圓礫土，各層土主要物理力學(xué)指標(biāo)及地層分布情況詳見(jiàn)圖1、表1。

圖1　工點(diǎn)地質(zhì)縱斷面(單位：m)

地層名稱天然重度/(kN/m3)飽和重度/(kN/m3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)人工填土19—11.520粉土19.920.88.522.4粉砂19.2—5.631.2粉質(zhì)黏土20.120.523.518.4

1.3水文地質(zhì)

工點(diǎn)范圍地下水位埋深6.0～7.0 m，主要受大氣降水補(bǔ)給，其次為管溝滲漏補(bǔ)給，地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)化學(xué)侵蝕環(huán)境作用等級(jí)為H1。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)方法

帶橫撐的U形槽結(jié)構(gòu)應(yīng)分別按承載力能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)[5]，可采用平面力系建立模型，通過(guò)結(jié)構(gòu)受力分析后，再進(jìn)行配筋計(jì)算、裂縫檢算及抗浮檢算，最終得到比較詳盡可靠的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，為工程設(shè)計(jì)所用。

2.2荷載分類

結(jié)構(gòu)永久荷載分為：U形槽結(jié)構(gòu)邊墻外土壓力(水土合算)、邊墻上附屬設(shè)施(聲屏障)重力。

結(jié)構(gòu)可變荷載分為：U形槽結(jié)構(gòu)邊墻兩側(cè)汽車荷載、邊墻附屬設(shè)施聲屏障風(fēng)荷載、機(jī)車行駛氣動(dòng)力。

2.3荷載組合

(1)當(dāng)U形槽結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，荷載按基本組合[6]設(shè)計(jì)，按式(1)、式(2)計(jì)算

(1)

式中γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；

Sd——荷載組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值，kN；

Rd——結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計(jì)值，kN。

(2)

式中γGj——第j個(gè)永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)；

γQi——第i個(gè)可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)；

SGjk——按第j個(gè)永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gjk計(jì)算的荷載效應(yīng)值，kN；

SQik——按第i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Qik計(jì)算的荷載效應(yīng)值，kN；

γLi——第i個(gè)可變荷載考慮設(shè)計(jì)使用年限的調(diào)整系數(shù)；

ψci——第i個(gè)可變荷載的組合值系數(shù)；

m——參與組合的永久荷載數(shù)；

n——參與組合的可變荷載數(shù)。

本U形槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，永久荷載分項(xiàng)系數(shù)γG取1.35；可變荷載分項(xiàng)系數(shù)γQ取1.40，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限調(diào)整系數(shù)γLi，按使用年限為100年，取1.1，可變荷載的組合值系數(shù)ψci取0.85。

(2)當(dāng)U形槽結(jié)構(gòu)按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，荷載可按準(zhǔn)永久組合設(shè)計(jì)，按式(3)、式(4)計(jì)算

(3)

式中C——結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用要求的規(guī)定限值，kN；

Sd——荷載組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)，kN；

(4)

式中ψqi——第i個(gè)可變荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)，本U形槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可變荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)ψqi取0.8。

2.4擬定結(jié)構(gòu)的材料及尺寸

(1)結(jié)構(gòu)材料：C40混凝土，主筋及架立筋為HRB400型，箍筋為HPB300型。

(2)結(jié)構(gòu)跨度及邊墻、底板尺寸：綜合考慮雙線鐵路線間距、平面曲線路基加寬值及結(jié)構(gòu)內(nèi)水溝布置形式等因素，擬定U形槽結(jié)構(gòu)跨度寬13.74 m；取U形槽埋深最大處計(jì)算，邊墻高13.62 m，底寬1.0 m，采用直立式；底板厚1.2 m，邊墻兩側(cè)外延0.8 m。

(3)橫撐位置及結(jié)構(gòu)尺寸：綜合考慮軌道結(jié)構(gòu)高度、結(jié)構(gòu)內(nèi)路基形式及接觸網(wǎng)允許凈空等因素，擬定于距結(jié)構(gòu)底板頂面9.4 m位置設(shè)橫撐，截面0.8 m(高)×0.6 m(寬)，沿線路方向每3 m設(shè)1道。結(jié)構(gòu)尺寸詳見(jiàn)圖2、圖3。

圖2　結(jié)構(gòu)橫剖面(單位：m)

圖3　結(jié)構(gòu)俯視(單位：m)

(4)土壓力系數(shù)及地基系數(shù)

①土壓力系數(shù)[7]：U形槽結(jié)構(gòu)剛度大，變形小，邊墻頂繞邊墻與底板的交點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)位移一般小于產(chǎn)生主動(dòng)土壓力所需的位移量，因此邊墻墻背土體土壓力系數(shù)采用靜止土壓力系數(shù)，取0.45。

②地基系數(shù)[8]：U形槽結(jié)構(gòu)底為第四系粉質(zhì)黏土、粉土地基，基礎(chǔ)與地基剛度相差較大，故可按Winkler地基模型[9-10]考慮地基反力，取地基系數(shù)8MN/m。

(5)結(jié)構(gòu)外部受力

①U形槽外邊墻靜止土壓力強(qiáng)度

σ0=k0γh

式中k0——靜止土壓力系數(shù)，取0.45。

②邊墻外地面大型車輛荷載側(cè)壓力

E1=k0q

式中：q——車輛荷載，均勻分布，取22 kN/m2。

③邊墻附屬結(jié)構(gòu)(聲屏障)外力：水平力F1=±27 kN，重力F2=±25 kN，彎矩M=±37 kN·m。

結(jié)構(gòu)受力分布詳見(jiàn)圖4。

圖4　結(jié)構(gòu)受力示意(單位：m)

2.5計(jì)算結(jié)果

對(duì)U形槽結(jié)構(gòu)分別在承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)下分析，分別得出兩種狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及彎矩圖，詳見(jiàn)圖5、圖6。

圖5　承載能力極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)彎矩圖(單位：kN·m)

圖6　正常使用極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)彎矩圖(單位：kN·m)

2.6配筋計(jì)算及驗(yàn)算

(1)計(jì)算

U形槽結(jié)構(gòu)邊墻、底板及橫撐均可按單筋矩形截面受彎構(gòu)件正截面受彎承載力計(jì)算[11]，按式(5)、式(6)計(jì)算

(5)

(6)

式中α1——等效矩形應(yīng)力圖系數(shù)，取1.0；

fc——混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；

b——截面寬度，mm；

x——受壓區(qū)高度，mm；

fy—鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；

h0—截面有效高度，mm。

其中，ξ為相對(duì)受壓區(qū)高度。得到ξ=0.048<ξb=0.518，其中ξb為界限相對(duì)受壓區(qū)高度，滿足適筋要求，再由公式

其中，γs為內(nèi)力矩的內(nèi)力臂系數(shù)。

得As=2 908 mm2，可選用10C22(As=3 801 mm2)。同理可得出邊墻及橫撐的配筋計(jì)算結(jié)果：邊墻選用10C22(As=3 801 mm2)；橫撐上部選用10C22(As=3 801 mm2)，下部選用8C22(As=3 041 mm2)。

(2)驗(yàn)算是否超筋或少筋破壞

2.7結(jié)構(gòu)裂縫驗(yàn)算

U形槽結(jié)構(gòu)需在正常使用極限狀態(tài)下，應(yīng)按式(7)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受拉邊緣應(yīng)力裂縫寬度驗(yàn)算

(7)

式中αcr——構(gòu)件受力特征系數(shù)；

ψ——裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；

σs——按荷載準(zhǔn)永久組合計(jì)算的鋼筋混凝土構(gòu)件縱向受拉普通鋼筋應(yīng)力，MPa；

Es——鋼筋彈性模量，MPa；

Cs——最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離，mm；

deq——受拉區(qū)縱向鋼筋的等效直徑，mm；

pte——按有效受拉混凝土截面面積計(jì)算的縱向受拉鋼筋的配筋率。

計(jì)算后分別得到U形槽結(jié)構(gòu)橫撐、邊墻及底板的最大裂縫寬度[12]，見(jiàn)表2。

表2　結(jié)構(gòu)最大裂縫數(shù)值

2.8抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算

抗浮穩(wěn)定系數(shù)按式(8)計(jì)算

(8)

式中Kf——抗浮穩(wěn)定系數(shù)；

G——U形槽結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施自重，kN；

Ff——U形槽結(jié)構(gòu)所受浮力，不考慮折減，kN；

[Kf]——抗浮安全系數(shù)，取1.1。

得Kf=1.27，滿足設(shè)計(jì)要求。

3基坑支護(hù)及止水設(shè)計(jì)

工點(diǎn)位于城市建筑群中，兩側(cè)建筑高聳密集，場(chǎng)地?zé)o放坡開挖條件，根據(jù)計(jì)算，基坑采用φ1.0 m的C35鋼筋混凝土灌注樁+鋼管內(nèi)置撐體系支護(hù)，排樁φ1.0 m，間距1.4 m，灌注樁內(nèi)設(shè)兩道支撐，第1道鋼支撐支撐于冠梁上，第2道鋼支撐通過(guò)鋼圍檁支撐在圍護(hù)樁上，鋼支撐采用直徑609 mm，厚14 mm的鋼管。灌注樁間做旋噴樁止水，旋噴樁樁徑0.8 m，咬合0.2 m。

4結(jié)語(yǔ)

結(jié)合橫撐式U形槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程，詳細(xì)介紹橫撐式U形槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路及方法，通過(guò)在承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)下的計(jì)算，得到的結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算結(jié)果及最大裂縫寬度結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，而且結(jié)構(gòu)截面尺寸相對(duì)合理可靠，為今后該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

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The Application of Lateral Support U-shape Groove Structure in Railway Engineering

ZHANG Shi-jie， XUAN Li-hua， RAO Zeng

(China Railway Engineering Design and Consultant Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

Abstract：The U-shape groove structure has been widely used in many construction projects. However， when the span of the u-shape groove structure is lager， the sidewall is higher， usually more than 12m， and external pressure is bigger the commonly used u-shape design fails to meet the design standard. Meanwhile， it is possible to add a lateral support at a certain level inside the former u-shape structure to change the stress of the structure and meet the requirements for design. This paper addresses the additional support from such six different aspects as structural load analysis， module pressure calculation， structure measurement checking， structural reinforcement calculation， structure fracture checking and anti-floating calculation， which serves to provide references for its application.

Key words：Railway subgrade; U-shape groove; Structure design

中圖分類號(hào)：U213.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.014

文章編號(hào)：1004-2954(2015)06-0060-04

作者簡(jiǎn)介：張世杰(1981—)，男，工程師，2005年畢業(yè)于石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，工學(xué)學(xué)士。

收稿日期：2014-11-02； 修回日期：2014-11-14