超级电容在城市轨道交通系统中的应用
摘 要：文章通过对以往U梁设计进行分析，在青岛蓝色硅谷城际轨道交通工程中采用优化后的U梁构造，并采用Midas/civil建立空间三维实体单元模型进行分析，对钢束位置及根数进行合理化布置。发现施工过程中U梁梁端出现裂缝问题，及时优化调整设计、施工等措施，确保解决问题。文章给出U梁存放、运输、架设等关键技术，确保了桥梁结构安全，对类似工程U梁设计具有一定的参考借鉴意义。
关键词：U形梁；实体单元；裂缝；优化；关键技术
由于U形梁在美观、降噪、建筑高度低等方面优势明显，在城市轨道交通工程中的应用越来越广泛[1]，上海、南京、重庆、郑州地铁中均采用过U梁，但上海地铁为法国人设计[2]，南京地铁U开始由国内工程师设计，可以说U梁发展较短，U梁在以往设计使用中或多或少存在以下几个问题：
（1）U梁为薄壁结构，底板、腹板的厚度过薄导致整体刚度较小、轮轨噪音屏蔽效果差，梁端排水无法处理。
（2）U梁为空间薄壁结构，钢束的布置、张拉顺序都会影响整个结构的受力，如何确定钢束位置及张拉顺序是确保结构安全的重要因素。
（3）后张法U梁，在张拉端钢束附近应力较集中，往往会出现微裂缝，采取及时有效的解决措施是确保梁场预制U梁成功的关键。
（4）U梁为开口薄壁结构，受扭薄弱，U梁的存储、运输、吊装技术也是影响工程质量的关键环节。
1 工程概况
蓝色硅谷轨道交通工程起点为苗岭路和深圳路交口处，沿苗岭路、滨海大道，领海路、皋虞河向北，终点为即墨市大桥盐场，全长58.35km，其中高架段长约47km，占线路总长的80%，线路预留经田横镇延伸至海阳市的条件。全线设置车站22座，高架站18座，地下站4座，平均站间距2652m，与线网中的M2、M4、R6、R7形成换乘。全线设置两个梁场，共生产3000多片U形梁。
2 U梁构造优化
从上图可以看出上海地铁U梁采用等截面形式，腹板、底板厚度25cm，此U梁设计存在以下几个问题：
（1）整体刚度较小，梁端转角较大。为了解决梁端转角较大引起轨道上拔力过大问题，需要在桥敦顶部设置垫梁，增加了工程的难度。
（2）梁端防排水不好处理，易漏水。
（3）全线采用一种梁宽，腹板对轮轨噪音的屏蔽作用有所减弱，降噪效果不好。
为了解决上述关键技术问题，本工程对U梁构造进行了如下优化：
高架桥采用整孔预制预应力混凝土简支U梁，标准跨度分25m、30m两种，梁型分5.0m线间距直线段、5.0m线间距曲线段和5.1m线间距曲线段三种。U梁外观整体呈“U”字型，为开口薄壁结构，腹板为弧形设计，支座中心距梁端0.6m，梁端1.2m为U梁底板加厚区，梁高由1.8m增至1.94m，渐变段长0.42m。内外腹板厚分别为0.26m、0.265m，底板厚0.26m，梁端底板加厚至0.4m。
5.0m线间距直线段U梁上宽5.32，下宽3.98m（梁端底板加厚区底宽4.58m），外腹板顶宽1.0m，内腹板顶宽0.72m，线路中心线偏向内腹板侧，与底板中心线偏心0.065m。
5.0m线间距曲线段U梁上宽5.42，下宽4.08m（梁端底板加厚区底宽4.68m），外腹板顶宽1.0m，内腹板顶宽0.57m，线路中心线偏向内腹板侧，与底板中心线偏心0.065m。
5.1m线间距曲线段U梁上宽5.52，下宽4.18m（梁端底板加厚区底宽4.78m），外腹板顶宽1.0m，内腹板顶宽0.57m，线路中心线偏向内腹板侧，与底板中心线偏心0.115m。
优化后5.0m线间距直线段U梁截面图如图3、图4：
本工程板厚增加1cm，在梁端设置端横梁，增加整体刚度满足两端转角问题，取消梁端开口，可有效解决梁端排水问题，并利用梁缝构造处理。按曲线半径不同，采用3种梁宽，增强结构对轮轨噪音的屏蔽作用。
3 U梁关键技术
3.1 U梁钢束布置
利用Midas软件建立U梁三维实体单元模型[3]，按二期恒载实际作用位置加载荷载，并利用影响线确定活载加载位置，初期考虑预应力加载位置模拟预应力作用，初次预应力布置按U梁截面几何中心往外等间距布置，提取在自重+二期恒载+预应力作用下跨中截面应力进行分析[4]。
图6 跨中截面纵向应力云图（单位：MPa）
从上图可以看出，在自重+二期恒载+预应力作用下，跨中截面纵向应力分布基本均匀，腹板顶应力虽有差别但不大，底板左右应力基本一致，说明钢束布置合理，钢束布置图如图7、图8。
NI、N1'、N2、N3均采用9-φs15.2mm低松弛钢绞线，N4、N5采用10-φs15.2mm低松弛钢绞线。
3.2 U梁钢束优化
青岛蓝色硅谷线共设置两个两场，梁场在张拉预应力后腹板，内侧腹板梁端出现斜45°裂纹，如图9所示。
针对以上出现问题，对钢束位置及钢束数量进行了重新分配调整，具体措施如下：
（1）钢束位置的调整
简支U梁N1'钢束锚固端由距腹板外缘200mm调整为270mm，增加了局部应力扩散空间，降低混凝土崩裂风险（如图10所示）。
（2）钢束根数和张拉力的调整
腹板钢束N1、N1'由9φs15.2调整为7φs15.2，同时底板N2、N3钢束由9φs15.2調整为10φs15.2，钢束总束数不变。
钢束初张拉应力由700Mpa调整为600Mpa，初张拉钢束由原来N5、N3、N1、N1'（共6束）调整为N5、N3、N2、N1、N1'（共8束）。
3.3 U梁局部钢筋优化
正对以上出现问题，对钢筋也相应做了调整和优化，使局部受力更加合理、安全，具体措施如下：
（1）N1、N1'钢束锚下螺旋筋加大，采用φ14钢筋，同时要求锚下螺旋钢筋与锚垫板焊接，确保锚下螺旋钢筋定位准确。
（2）U梁内侧腹板端部位增设N2b纵向加强钢筋，钢筋长度1.5m（见下图），同时梁端面必须设置护面钢筋。
通过以上调整，及提高混凝土拌合质量、加强后期养护等措施，后期U梁未出现梁端裂纹，为以后此类工程积累了丰富的工程经验。
3.4 U梁存放、运输、架设关键技术[5]
（1）U梁运输支点位置应符合设计要求。支点应位于同一平面上，U梁同一端支点相对高差不得大于2mm，支座中任意一点与另外三点组成的平面相对高差不得大于2mm。
（2）U梁存放必须采用单层存梁，支点位置及支点的悬出距离应符合设计要求。长期存梁时应采取措施，防止梁体产生过大上拱。
（3）在存梁、吊梁、运梁过程中，应保证各吊点或支点受力均匀，建议施工单位采用反力传感器等技术手段实测吊装期间反力，在各种工况下，首先应按设计位置准确落在两端作为临时支点的千斤顶上，同时应保证每支点反力与理论计算反力相差不超过±5%。
（4）梁起顶、吊运、存放时的最大悬臂长度为0.9m。施工中应采取严格措施保证结构稳定。
（5）U梁架设时，采用支点反力控制，每支点反力与理论计算反力相差不超过±5%。当支座砂浆强度达到20MPa、千斤顶撤出后方可通过运架设备。
4 结束语
U梁为空间薄壁结构，受力复杂，即便建立三维实体单元模型，也未必反映出其实际受力特点，但通过此次设计、研究及优化，已基本熟悉U梁设计及相关关键技术，有助于推动U梁在城市轨道交通领域中的应用，而且U梁具有“美观、降噪效果好、建筑高度低”等优点，未来前景十分广阔。
参考文献
[1]梁汇伟.槽形梁设计要点及在城市轨道交通中的应用[J].交通科技与经济，2011（2）：71-73.
[2]刘红绪，赵会平，等.城际轨道交通U梁结构设计研究青岛蓝色硅谷城际轨道交通U梁结构设计QC小组[R].中铁第一勘察设计院，2013，12.
[3]欧阳辉来.槽形梁三维实体有限元分析[J].铁道标准设计，2009 （1）：45-47.
[4]刘红绪.青岛蓝色硅谷城际轨道交通U形梁设计[J].铁道建筑，2016（2）：23-26.
[5]中华人民共和国铁道部.铁建设[2008]189号 铁路大型临时工程和过渡工程設计暂行规定[S].北京：中华人民共和国铁道部，2008.
作者简介：魏亮道（1985-），男，工程师，2011年毕业于兰州交通大学，工学硕士。
