中铁四局集团市政工程有限公司 安徽芜湖 241000
摘要：目前，轨道交通已经成为国家主要城市交通运输工具，第一条跨座式单轨顺利通车于“山城”重庆，PC轨道梁是跨座式轨道交通的核心，PC轨道梁截面选型的优化设计将影响轨道交通的行车安全、整体工期、工程成本等。以芜湖市轨道交通1号线、2号线一期为例，根据设计和施工等综合因素，阐述PC轨道梁截面选型相关问题，优化对比，为以后轨道交通PC轨道梁设计提供建议。
关键词：PC轨道梁；实心截面；空心截面
一.项目简介
芜湖市轨道交通1号线及2号线一期工程（以下称“本工程”）是芜湖市（2016-2020年）轨道交通建设规划。全长47km，共设车站35座，PC轨道梁共计约4500片。本工程也是第一个选择连续刚构PC轨道梁的跨座式单轨轨道交通，在国内同类型城市中形成一定的示范效应。
二.PC轨道梁截面形式
目前国外应用工程中均采用支点处实心截面梁，跨中处则为空心截面梁的结构形式，主要设计意图为降低结构自重，减少混凝土用量，节省造价。但在PC轨道梁施工过程中亦存在钢筋绑扎困难、混凝土振捣困难，工期过长等问题。针对于此，本工程在PC轨道梁设计上创新思路，研究实心截面形式PC轨道梁，实心截面的PC轨道梁与空心截面PC轨道梁相比仅在跨中段截面有空心变成了实心截面，实心截面PC轨道梁其振捣空间大幅增加，可大大增加混凝土振捣效率，提高振捣质量。但同时，实心截面PC轨道梁混凝土增加，自重也增加。
三.截面形式对比分析
PC轨道梁设计与施工中将传统空心截面梁与实心截面梁作以分析与研究。以跨径30米PC轨道梁为例其跨中截面尺寸如图1-1所示。
图1-1 PC轨道梁空心截面与实心截面对比图
分别从静力分析、动力分析、施工功效、工程成本等多方面论证。
1.静力分析
（1）PC轨道梁静力分析
通过建模，将跨径30米PC轨道梁在施工阶段、控制工况下及成桥状态下进行应力分析，其空心截面与实心截面应力对比见表1-1至1-3
表1-1 3-30mPC轨道梁施工阶段应力对比表
由表1-1、1-2、1-3可见：
施工阶段空心截面与实心截面各项应力指标均满足规范要求。实心截面上缘最大应力有所降低，跨中下缘最大应力有所增加。
实心截面跨中刚度增大，但跨中截面分配弯矩增大，成桥及运用状态下，支点截面受力影响变化不大，应力值变化均在0.5MPa以下，影响甚小。
（2）墩柱静力分析
30米跨PC轨道梁空心形式截面与实心形式截面下应力分析见表1-4
表1-4 PC轨道梁墩柱应力分析
相同钢筋配置下，空心截面墩柱混凝土应力、钢筋应力较大，控制裂缝较大；实心截面墩柱混凝土应力、钢筋应力较小，控制裂缝较小，但都在规范允许范围内。
（3）桩基静力分析
本工程高架区间PC轨道梁设计采用钻孔灌注桩基础，约80%的墩高在15m以内，设计采用2根直径为1.25米的钻孔摩擦桩，由于软弱覆盖层较厚，绝大部分桩基础为沉降控制。将30米跨PC轨道梁空心截面形式与实心截面形式的桩基础进行对比，见表1-5
表1-5 桩基受力对比表
由于桩基础大部分为沉降控制，实心截面PC轨道梁梁体刚度增加，墩底弯矩减小，且梁体增加自重有限，所以实行截面形式PC轨道梁与空心截面形式PC轨道梁桩基长度与配筋均相同。
可见，对于跨径30m的连续刚构PC轨道梁结构而言，空心截面与实心截面在各种工况下，梁体刚度、强度、变形均满足规范要求。同时墩柱与桩基础设计均无差别。
2.动力分析
选取30米跨PC轨道梁进行车-桥力耦合分析，计算条件如下：
（1）线路情况：双线，直线，正线线间距4.6米
（2）设计速度：100km/h
（3）设计活载：CMR2活载
（4）单轨二期恒载：10kN/m
分析中采用以下假定：
（1）车体、转向架和轮对均架设为刚体
（2）不考虑机车、车辆纵向震动及其对桥梁振动与行车速度的影响
（3）轮对、转向架和车体均做微振动
（4）所有弹簧均为线性，所有阻尼按粘滞阻尼计算
根据计算模型和假设，对空心截面与实心截面两种情况的自振特性机型计算和分析，其前十阶自振频率对比见表1-6
表1-6 3-30mPC轨道梁桥自振特性分析对比表
根据前述计算模型与计算原理，车辆制造商对车辆通过桥梁进行了车-桥系统空间应力分析，在不同车速下空心截面PC轨道梁和实心截面PC轨道梁的行车舒适度均满足良好及以上要求。
3.施工功效分析
（1）PC轨道梁预制
空心截面形式PC轨道梁钢筋间距较小，不便于钢筋绑扎，且PC轨道梁预埋件较多，预制过程中预埋件与密集钢筋施工难度大，留有空腔，腹板处空间小，不利于振捣棒操作及混凝土密实，一般预制一榀梁周期为4天；实心截面可对钢筋布置进行重新调整，取消空腔周围钢筋，整体钢筋减少约20%，钢筋间距增大，易于预埋件埋设，有利于钢筋绑扎施工及预埋件施工精度，且取消空腔，梁体内空间增大，便于振捣，混凝土振捣密实，振捣功效提高，一般预制一榀梁周期为3天。
（2）梁体架设施工
跨径30米的空心截面形式PC轨道梁重74.5吨，对于一般高度墩柱架设，选取规格为180吨，旋转半径11米，起吊高度18.9米的汽车吊，单台吊车对应最大吊重约50吨，两台汽车吊吊装；实心截面形式PC轨道梁重87.0吨，对于一般高度墩柱架设，选取规格为220吨，旋转半径11米，起吊高度18.9米的汽车吊，单台吊车对应最大吊重约61.7吨，两台汽车吊吊装。具体对比见表1-7
表1-7 吊车吊装检算对比表（H=10m）
空心截面形式PC轨道梁架设吊车规格较小。
4.工程成本分析
跨径30米的空心截面形式PC轨道梁与实心截面形式PC轨道梁在混凝土数量、钢筋数量、钢绞线数量及模板数量上做以比较见表1-8
表1-8 30米PC轨道梁工程量对比表
注：造价按初步概算计算
仅考虑PC轨道梁主体结构对应数量，PC轨道梁实心截面与空心截面主体材料数量有增有减，总体上实心截面形式PC轨道梁梁体造价较低，但是考虑架梁运输等因素，PC轨道梁梁体重量增加，在梁体运输和架设过程中，需选用规格高的设备，需增加成本，在总体造价上，实心截面形式PC轨道梁与空心截面形式PC轨道梁造价基本持平。
四.结论
通过以上静力分析、动力分析、施工便利性及经济性分析对比PC轨道梁两种截面形式，主要结论如下：
（1）结构静力角度考虑，空心截面形式PC轨道梁与实心截面PC轨道梁均满足规范要求。
（2）动力分析，在不同车速下空心截面PC轨道梁和实心截面PC轨道梁的行车舒适度均满足良好及以上要求。
（3）实心截面形式PC轨道梁相对更易于绑扎钢筋作业及混凝土作业，混凝土振捣密实，有益于混凝土质量控制，并且施工功效较高，施工进度可以得到有效保证；但在PC轨道梁架设时，由于梁体自重增加，对运输及吊装增加了难度，增幅有限，影响不大。
（4）综合PC轨道梁预制与架设费用，实心截面形式PC轨道梁与空心截面形式PC轨道梁造价基本持平。
五、结束语
国家轨道交通建设工程在快速推进，在轨道交通建设中在设计与施工中有很多技术研究，本文浅析PC轨道梁截面形式选型，分别从设计静分析、行车动力分析、施工功效及工程成本分析等角度考虑，希望在以后轨道交通PC轨道梁设计及施工过程中起到借鉴作用。
参考文献
[1]《跨座式单轨交通设计规范》（GB 50458-2008）
[2]《城市轨道交通技术规范》（GB50490-2009）
[3]《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）
[4]《城市桥梁工程施工与质量验收规范》（CJJ 2-2008）
[5]《芜湖市轨道交通1号线、2号线一期工程场地地震安全性评价报告》
[6]《芜湖市轨道交通1号线、2号线一期工程实施方案》
论文作者:笪志
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/29
标签：截面论文; 轨道论文; 实心论文; 形式论文; 应力论文; 钢筋论文; 轨道交通论文; 《建筑学研究前沿》2018年第29期论文;