预应力技术在城市轨道交通高架车站中的应用

黎家国

【摘要】预应力混凝土结构是在结构承受荷载之前，预先对其施加压力，使其在外荷载作用时的受拉区混凝土产生压应力，用以抵消或减小外荷载产生的拉应力，使结构在正常使用情况下不产生裂缝或者开裂得比较晚。在建筑工程、桥梁工程以及城市轨道交通高架车站中预应力技术得到了广泛应用，是解决混凝土构件受力后挠度过大的有效手段。

【关键词】城市轨道交通；高架车站；预应力技术；应用

城市轨道交通高架车站按所在位置和城市道路之间的关系分为路中车站和路侧车站。高架车站根据行车轨道和站台之间的关系分为岛式车站和侧式车站，站台在轨道之间的为岛式车站，站台在轨道两侧的为侧式车站。岛式车站的受力特点是列车荷载作用于横向盖梁的端部，盖梁在非地震作用下受力不利；侧式车站的受力特点是列车荷载作用于横向盖梁的中部，盖梁在非地震作用下受力有利。

1、工程概况

某城际轨道交通一期工程S8线（以下简称“S8线”），线路全长45.2km，其中地下线12.2km，高架线33km。全线共设17座车站，其中地下站6座，高架站11座。列车采用4B编组，最高速度为120km/h，是我国一次性建成里程最长，运行速度最快的地铁线路。本工程已于2014年8月1日正式运营，S8线高架车站分为路中高架车站和路侧高架车站，本文以某站为例讨论路中侧式高架车站预应力盖梁的设计。

2、横向盖梁设计

某站横向柱跨外包尺寸5m，横向预应力盖梁全长外包尺寸17.6m，盖梁净悬挑长度6.3m，纵向柱距12m共7跨，车站全长轴线距离84m，抗震等级为二级，上部结构混凝土强度等级C40，结构横剖面如图1所示。

该站上行扶梯提升高度为6m，站台板下层横向盖梁高度被限制在1.2m，如此截面高度的梁不足以支承站台层及站台板下层荷载，因此，考虑设置边框架柱将站台层与站台板下层荷载向下传至站厅层横向盖梁。考虑到站台板下层横向盖梁的截面尺寸相对较小，布置预应力筋较为困难，将站厅层横向盖梁设计成预应力构件。

3、横向盖梁预应力设计

3.1 预应力筋布置

站厅层横向盖梁预应力筋布置方式，可以采用倒抛物线+张拉端水平的方式或两段斜线+一段直线+张拉端水平的方式。结合现场情况，拟采用无锡地铁1号线堰桥站的斜线+直线+张拉端水平的布置方式（图2）。

3.2 预应力设计

3.2.1 裂缝控制设计

盖梁预应力设计中，裂缝按二级控制，且在标准荷载组合下受拉边缘应力应符合如下规定：σ ck - σ pc ≤ f tk （1）式（1）中，σ ck 为在荷载标准组合下构件抗裂验算边缘的混凝土法向应力；σ pc 为扣除全部预应力损失后在抗裂验算边缘混凝土的预压应力；f tk 为容许值。考虑到梁柱节点区普通钢筋密集，如果设计成全预应力混凝土构件，则节点区预应力筋孔道更多或者直径更大，与墩柱钢筋更加冲突不便施工，混凝土浇注质量难以保证。另外，本站为侧式车站，列车荷载集中在墩柱顶，对悬挑预应力盖梁根部产生的拉压应力变化不大，即疲劳荷载不明显。因此，将该盖梁设计成部分预应力混凝土构件，既减少了预应力筋孔道和墩柱钢筋的冲突，也可以避免预应力混凝土构件开裂后疲劳加剧的情况出现。再者，该预应力盖梁容许应力法设计，但容许应力法设计过程繁琐，计算配筋量偏大略显保守。图 2 给出了站厅层某横向盖梁在恒载、活载作用

组合下的梁顶应力图，图 5 给出了站厅层某横向盖梁在恒载、活载、预应力作用组合下的梁顶应力图。对比图 4、图 5 可见，预应力的施加满足式（1）的要求，这大大减小了横向盖梁悬挑根部梁顶处的拉应力，有效减小了站厅层横向盖梁的挠度，为站台板下层边框架柱提供了可靠的支承，减小了站台板下层横向盖梁的负弯矩，使车站上部结构整体受力更加合理。

3.2.2 抗震构造设计

本工程盖梁还从以下几方面进行了设计，以满足抗震构造要求。

（1）设计中计入纵向受压钢筋的混凝土受压区高度，以符合二级抗震等级框架梁 x≤0.35 h 0 的要求。其中，x 为混凝土受压区高度，h 0 为截面有效高度。

（2）普通钢筋抗拉强度设计值换算的全部纵向受拉钢筋配筋率按

不大于 2.5% 设计，梁端截面配筋按 要求设计。其中，f py 为预应力筋抗拉强度设计值，f y 为普通钢筋抗拉强度设计值，h p 为预应力筋合力点至截面受压边缘的距离， h s 为纵向受拉普通钢筋合力点至截面受压边缘的距离，A s 为受拉区纵向普通钢筋截面面积，A p 为受拉区纵向预应力筋截面面积。

（3）梁端底部纵向普通钢筋和顶部纵向受力钢筋截面面积之比按不小于 0.3 设计。

（4）框架梁端底面縱向普通钢筋配筋率按不小于0.2% 设计。

4、施工中遇到的问题及处理方法

本站即使将预应力混凝土盖梁设计成部分预应力混凝土构件，减少了预应力筋的布置，但是由于盖梁按能力保护原则设计时，普通钢筋很多，梁柱节点区钢筋十分密集，预应力孔道无法按设计线型放置。处理的方法：预应力筋孔道在框架柱主筋位置不能穿过时，可适当平移就近穿过，将预应力筋孔道在节点区设平弯段，以保证平弯段平顺且偏移量不致过大；遇到柱箍筋可适当截断箍筋，预应力筋孔道穿过后应补足开口箍，以保证全截面箍筋肢数与设计相同；预应力筋孔道在盖梁梁端锚固处应保证位置符合原设计。

结语：

预应力技术是解决城市轨道交通高架车站横向盖梁挠度过大的有效途径，且与区间桥梁解决梁体挠度问题方法一致，无需采用新工法，经济效益优势明显。

参考文献：

[1]杨开屏.高架车站大悬臂预应力盖梁设计探讨[J].铁道标准设计，2010（12）.

[2]吕志涛，孟少平.现代预应力设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.