磁懸浮軌道交通上部U型梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

安里鵬 劉 特 周永禮

（1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙）

（2.中鐵第二勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，四川 成都）

作為下承結(jié)構(gòu)的u型梁（也叫槽形梁），由于其力學(xué)性能方面的原因而沒(méi)有得到足夠重視，從而使該梁型在磁懸浮軌道交通領(lǐng)域中的應(yīng)用很少。然而，由于U形梁在美觀、降噪、建筑高度低等方面優(yōu)勢(shì)明顯，已經(jīng)在城市軌道交通工程中（如輕軌）的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]，并已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外取得了大量工程實(shí)踐[2,3]。但由于國(guó)內(nèi)引進(jìn)和使用U 箱梁的時(shí)間還較短，故在實(shí)際使用中，我們發(fā)現(xiàn)：U 型梁為開(kāi)口截面，相對(duì)與小箱梁而言，抗扭剛度和穩(wěn)定性較差；梁體受壓區(qū)混凝土面積較小，受拉區(qū)則集中了較多的混凝土；對(duì)于大U 型梁，為保證結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性，U箱梁體存在預(yù)應(yīng)力鋼束布置數(shù)量過(guò)多，預(yù)應(yīng)力指標(biāo)偏高的問(wèn)題，對(duì)于橫向?qū)挾容^大的梁體，一般還需設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，導(dǎo)致費(fèi)用和施工復(fù)雜性的增加；目前所使用的的U 箱梁梁高較高，為保證橋下凈空，則需要提高橋面的設(shè)計(jì)標(biāo)高[4]。

為解決該問(wèn)題，同時(shí)為增強(qiáng)U 型梁在磁懸浮軌道交通中的應(yīng)用，本文提出了一種新型U 型梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)以往U 箱梁截面進(jìn)行優(yōu)化，并以某旅游文旅項(xiàng)目中跨徑3×30m 的連續(xù) U 梁為依托，建立三維有限元模型，對(duì)其預(yù)應(yīng)力鋼束布置進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對(duì)其結(jié)構(gòu)受力行為進(jìn)行分析。

1 依托工程

某磁浮文旅項(xiàng)目計(jì)劃采用中低速磁懸浮交通，該項(xiàng)目中某一跨徑3×30m 的連續(xù)梁橋，為小半徑(曲線半徑為100m)連續(xù)梁，計(jì)劃采用本文所提的優(yōu)化后U 型梁結(jié)構(gòu)。該U 型梁為開(kāi)口大U 型梁，中間設(shè)中腹板。U 梁總長(zhǎng)24.9m，計(jì)算跨徑為24.1m，標(biāo)準(zhǔn)段梁高1.8m，頂寬10.2m，底寬8.78m，邊腹板厚度0.4m，中腹板厚度0.6m。

圖1 U 形梁標(biāo)準(zhǔn)段示意圖

2 U 型梁鋼束布置

優(yōu)化后的U型梁結(jié)構(gòu)按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件考慮，不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力。鋼絞線采用符合GB5224標(biāo)準(zhǔn)的φs15.2mm低松弛鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk＝1860MPa，彈性模量Ep＝1.95×105MPa。恒載及二期恒載按實(shí)際作用位置加載荷載，磁浮列車活載按影響線加載。依據(jù)《中低速磁浮交通設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ/T 262-2017），加載離心力、列車牽引力、風(fēng)力、溫度荷載（含整體升降溫和梯度升降溫）等附加力。為分析預(yù)應(yīng)力鋼束優(yōu)化布置方案，采用主力組合的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。

經(jīng)理論分析和計(jì)算，優(yōu)化后的U箱梁共計(jì)采用31束鋼絞線，鋼絞線指標(biāo)21.4kg/m3。其中，頂板束7束（9-φs15.2mm），分別在邊腹板各2束，中腹板3束；腹板束9束（12-φs15.2mm），分別在邊腹板和中腹板各3束；底板采用15束12-φs15.2mm低松弛鋼絞線。

3 梁格法建模

U 型梁為開(kāi)口截面，與箱梁相比，抗扭性能差。為分析U 箱梁的抗扭穩(wěn)定性，采用梁格法建模，以U 型梁左右線中心線為界限，分別建立左側(cè)梁體、中間梁體和右側(cè)梁體，左右側(cè)梁體與中間梁體之間采用虛擬橫梁進(jìn)行連接。建立的有限元模型如下圖所示。

圖2 梁格法建立U 箱梁模型

共計(jì)建立節(jié)點(diǎn)數(shù)量：246，單元數(shù)量：329（含虛擬橫梁?jiǎn)卧吔鐥l件數(shù)量12 個(gè)。

4 有限元計(jì)算分析

經(jīng)有限元計(jì)算分析，靜活載作用下，U 型梁體跨中最大豎向位移為3.829mm，撓跨比1/6294.1，小于1/4600。梁端的豎向轉(zhuǎn)角為0.457‰rad，小于1‰rad。一階豎彎固有頻率n0=5.053＞64/L=2.66Hz，滿足《中低速磁浮交通設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ/T 262-2017）8.1.8 條規(guī)定。

在主力、主力+附加力及主力+特殊荷載組合下，U 梁梁體主要計(jì)算結(jié)果如下。經(jīng)計(jì)算，U 型梁體在運(yùn)營(yíng)階段的強(qiáng)度安全系數(shù)為2.47（K≥2.2，括號(hào)內(nèi)為規(guī)范容許值，下同），抗裂安全系數(shù)為1.68（Kf≥1.2），其跨中上緣最大壓應(yīng)力為6.9 Mpa（σc≤0.50fc=18.5Mpa），跨中下緣最小壓應(yīng)力為1.7Mpa（σc≥0），支點(diǎn)上緣最小壓應(yīng)力為 2.0MPa（σc≥0），支點(diǎn)下緣最大壓應(yīng)力為 2.7MPa（σc≤0.50fc=18.5Mpa），混凝土最大剪應(yīng)力1.94 Mpa（τc≤0.17fc=6.29MPa），抗裂荷載下的混凝土主拉應(yīng)力為-2.62 Mpa（σtP≤fct=-3.3MPa），主壓應(yīng)力11.9 Mpa（σ cP≤0.6fc=22.2MPa），均可滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。從優(yōu)化后U 梁梁體有限元計(jì)算分析結(jié)果中可以看出，優(yōu)化后的U 梁結(jié)構(gòu)受力性能可以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，同時(shí)具有較好的力學(xué)性能，可為U 箱梁設(shè)計(jì)提供一定的借鑒意義。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所推薦的新型U梁截面形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約，預(yù)應(yīng)力鋼束配置也更為優(yōu)化，減少了梁體寬度和高度，減輕了梁體重量，節(jié)約了工程造價(jià)。通過(guò)有限元數(shù)值模擬計(jì)算表明，該U型梁結(jié)構(gòu)受力可滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，具有較好的力學(xué)行為和景觀效果，可為U型梁在磁懸浮軌道交通中的應(yīng)用提供參考。