城市轨道交通U梁设计及施工

赵会平

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安　710043）

摘　要：介绍了城市轨道交通U梁的受力特点及优点。以青岛地铁11号线轨道交通工程为依托，介绍了U梁结构设计方法、主要计算结果及施工方法等关键技术。

关键词：交通运输系统工程；结构设计；U梁

1　前言

随着我国城市轨道交通的快速发展，尤其是近年开工建设的市郊、市域轨道交通线路，大多采用高架形式，高架线路越来越多。高架桥除满足交通功能外，也是城市重要建筑，其动辄延绵数公里，体量巨大，对城市环境影响较大。因此，选择外形美观、结构安全、施工简便、节能环保的桥梁结构是城市建设的需要，也是科学技术发展的需要。传统的城市高架桥梁上部结构大多采用箱梁、T梁、槽型梁等梁型，其桥梁景观不佳，声屏障用量大，施工对城市环境影响大，弊病较多。近年借鉴国外类似工程建设及槽形梁设计经验，国内上海、南京、重庆、青岛等城市部分轨道交通线路采用了一种新型U梁结构，其为开口薄壁截面，是一种下承式结构[1]，具有建筑高度低、降噪效果好、断面利用率高、行车安全、外形美观、施工简便快速等优点，缓解了高架桥对城市环境的影响，被很多城市的业主所接受，具有一定的推广价值。

2　U梁结构设计

2.1　U梁形式

目前，国内外已经建成的轨道交通线路，采用的U梁主要有两种截面形式，一种是采用双线大U梁，一种是单线U梁并置形式。由于双线大U梁对建筑材料、制梁工艺要求高，工程造价高，目前仅国外迪拜、圣地亚哥等少数城市有所采用，其他多数线路，尤其是国内建成的轨道交通均采用了单线U梁并置形式。本文以青岛地铁11号线为例，介绍单线U梁设计、施工情况。

2.2　U梁优点

U梁是一种下承式结构，桥梁建筑高度低。较同跨度箱梁有效建筑高度能降低1.4m左右，更方便线路纵断面优化和满足立交点桥下净空。腹板具有隔声降噪作用，较为环保。U梁两侧腹板可兼做声屏障作用，减少轮轨噪音向外传播，根据同济大学的测定，U梁能降噪5～10dB，同时能减少声屏障用量。可分片预制，梁重轻，运架方便、施工速度快。目前国内采用的U梁，梁重基本控制在200t以内，可以梁上、梁下运架相结合，综合施工速度快，且后期设备安装均在槽内，较为安全。景观效果好。U梁为弧形外观，且梁底为平面，加上建筑高度低，整体景观效果好，能够更好地融入城市环境。

作者简介：赵会平，男，高级工程师，主要研究方向为桥梁工程。

2.3　U梁结构设计

2.3.1　主要技术标准

（1）最高行车速度：120km/h。

（2）建筑材料：C55混凝土，掺聚丙烯纤维0.9kg/m3。

（3）U梁腹板撞击荷载取一辆车重量的50％，纵向分布长度取5m，作用位置为梁端腹板顶内侧。

（4）其他设计荷载主要参照地铁设计规范取值。

（5）结构设计技术指标主要依据现行地铁设计规范及铁路桥梁设计规范。

2.3.2　主梁构造

标准U梁跨度30m，腹板、底板厚度26cm，每侧梁端设1.2m长，0.4m厚端横梁，为了增加桥梁美观性，外侧腹板进行了外立面造型设计，横断面如图3所示

2.3.3　结构分析方法

U梁受力呈明显的空间受力特征，荷载作用下，底板不仅会产生空间弯曲和扭转，还会参与腹板共同受力，主梁腹板也会受到法向应力及弯、剪、扭共同作用[2]，常规结构分析方法不能满足设计要求。青岛地铁11号线设计中分别采用平面杆系模型和空间有限元单元模型（MIDAS）进行了分析，平面杆系模型主要用于结构的整体受力分析及预应力效应与混凝土收缩徐变的分析，空间有限元模型主要用于截面应力分布规律的研究。分别提取跨中截面、1/4截面、1/8截面及梁端截面应力，研究应力变化及规律，根据有限元模型的计算结果对平面杆系模型及结构的总体应力储备进行调整。

横向计算时活载动力系数按1.4取值，通过实体有限元模型分析得出底板最大横向名义拉应力，反算弯矩进行钢筋混凝土配筋设计。

2.3.4　预应力布置

青岛地铁11号线U梁按照后张法设计，纵向采用全预应力理论设计。采用GB 5224标准的φs15.2mm低松弛钢绞线，抗拉强度标准值fPK=1860MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa。

30mU梁纵向共布置10束94根φs15.2mm低松弛钢绞线，两侧腹板束各设一束7φs15.2mm弯起束，锚具分别采用采用m -10和m -7，采用金属波纹管成孔，内径分别为90mm和80mm。底板及腹板预应力筋中心线到底板底的距离分别为120mm和115mm，其预应力钢束布置参见图5。

2.3.5　计算结果

平面（纵向）计算结果见表1。

以30mU梁为基础进行三维实体单元分析，分别取运营阶段跨中、1/4截面及梁端位置进行对比分析及截面配筋检算，提取实体单元模型中各结构关键点处的应力值，其中主+附中附加力包括风力及外侧腹板升温5℃。

（1）应力状况。主力作用下，U梁跨中截面全截面受压，其中外侧腹板下缘在主力、主+附作用下最小压应力为分别问0.9MPa、0.6MPa，满足规范要求。

最大压应力发生在内侧腹板上缘，主力、主+附作用下分别为12.4MPa、12.6MPa，满足规范要求，其中内外侧腹板顶压应力相差达4.9～6.6MPa。

（2）运营阶段设计活载下的刚度指标。自重和预应力作用下，内侧腹板上缘横向位移0.6mm，外侧腹板上缘横向位移0.5mm，均偏向墩中心线；静活载作用下，内侧腹板上缘横向位移0.7mm，外侧腹板上缘横向位移2.7mm，均偏向U梁中心线，横向刚度指标满足L/4000=7.5mm要求。

自重和预应力作用下，梁体外侧腹板竖向位移为5.0mm（最大，向上），内侧腹板竖向位移为4.2mm（最大，向上）。静活载作用下，梁体最大竖向位移在底板线路中心线偏内侧腹板侧，为7.7mm（向下），内侧腹板竖向位移7.8mm（向下），外侧腹板竖向位移4.0mm（向下），竖向刚度指标满足L/2000=15mm要求。

（3）主梁抗裂性验算。对不允许出现拉应力的受弯构件，其正截面抗裂性按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》6.3.9条计算：

实体模型中无法直接得到结构的抗裂安全系数，通过下式进行推导：

杆系模型抗裂安全系数为1.5，经计算实体模型抗裂安全系数分别问1.48（主力）、1.38（主+附），均满足规范要求。

3　施工方法

目前，国内采用U梁建设的高架线路，单片U梁重量基本控制在200t以内，均是采用梁场集中预制，采用运梁车通过运梁道路运至提梁点，然后采用吊装设备或桥上运架设备运架梁。桥上运梁时，运梁车荷载作用在左右两片梁上，桥上运梁荷载如图7所示。

4　结论

U梁作为一种新型结构，具有安全、经济、环保、美观等诸多优点。自上海地铁8号线首次采用U梁以来，经过多年的工程实践，国内上海、南京、重庆、青岛、郑州等城市轨道均已陆续采用，已建成线路运营状况良好，取得了良好的社会效益和经济效益[4]。目前，U梁的设计、施工水平已经较为成熟，具备了在国内推广使用的条件，在城市轨道交通领域必将具有广阔的市场前景。

参考文献

[1]宋晓东，吴定俊，李奇.考虑翘曲的轨道交通新型U形梁应力分析[J].结构工程师，2011（5）.

[2]王凤元，陆元春.U形梁在上海轨道交通8号线中的应用[J].上海建设科技，2009（5）.

[3]中铁第一勘察设计院集团有限公司.青岛蓝色硅谷城际轨道交通工程施工图设计文件[R].2013.

[4]唐玉斌，朱立，李昊.南京地铁U形梁的预制技术与施工[J].江苏建筑，2010（5）.

[5]汪建文.麦加地铁25mU形先张梁施工技术[J].铁道标准设计，2010（6）.

[6]GB 50157-2013地铁设计规范[S].2013.