佛山南海新交通U型槽设计研究

中国西部科技２０１４年１２月第１３卷第１２期总第３０５期　２１　佛山南海新交通Ｕ型槽设计研究　蔡天佑　（铁道第三勘察设计院集团有限公司广东分公司，广东深圳５１８０００）　摘要：本文介绍了由高架线过渡到地面线的ｕ型槽设计方法，包括受力分析、配筋计算、裂缝计算、ＳＡＰ８４程序应用等，　为以后类４￣－Ｙ－程提供参考。　关键词：Ｕ型槽结构；受力分析；设计研究　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉ　ｓｓｎ．１６７１—６３９６．２０１４．１２．００８　１　工程概况　佛山市南海新交通的起点是广佛地铁虫雷岗公园站，　终点是林岳西站，线路长１３．１ｋｍ，与一般的有轨电车都是　在地面运行不同，南海新交通还将“上天入地”，即有高架　线和地下线，线路由高架线过渡到地面线时，一般采用ｕ　型槽结构。ｕ型槽结构作为一种轻型支挡结构，由于其刚　度大、变形小、占地少、稳定性好、防水效果明显，在许　多市政工程中都有应用。　本文以断面ＹＤＫ９＋７８７．６的ｕ型槽为例（该处断面与高　架相接），详细介绍Ｕ型槽的设计方法。ｕ型槽结构主要由　钢筋混凝土边墙与底板组成，边墙厚Ｏ．６ｍ、高３．２ｍ，底板　厚０．８ｍ、宽９．２ｍ，Ｕ型槽内填筑Ｏ．３ｍ厚Ｃ３５素混凝土板和　２．５ｍ厚级配碎石，素混凝土板上为轨道荷载和列车荷载，　市政道路路面与底板项面平齐，如图１所示。　０．６ｍ　ａｍ　Ｅ　边墙　＿Ｏ．３∞厚ｃ３５素混凝土■　市政盖　４口　，　‘　』．　市政　道路　．　．５　童　碎　＿ｌ　Ｉ－　道路　路面　Ｉ　’』　４，＾　路面　点　ｄ　底板　图１　ＹＤＫ９＋７８７　６断面Ｕ型槽设计图　２　ｕ型槽结构计算　２．１边墙受力分析　Ｕ型槽的边墙可以看作刚性挡土墙，所受的力主要有列　车和轨道荷载、素混凝土板荷载、级配碎石荷载引起的侧向　压力。由于Ｕ型槽整体刚度很大，基本无变形，因此，边墙　所受侧压力按照静止土压力计算。　静止土压力系数　］：　ｋｏ－　式中：　为泊松比。　２．１．１边墙内混凝土板及级配碎石的侧压力计算　沿ｕ型槽长度方向取ｌｍ计算，混凝土板厚度ｈ１范　围内的侧压力为：　１　Ｐ。＝　ｘ　，ｚ２　ｌ级配碎石厚度ｈ２范围内的侧压力为：　Ｐ６＝　Ｊｔ（２　１＋ｒｚｈ２）　２ｋｏ　式中：ｒｌ、ｒ２、ｈ，、ｈ，分别为混凝土板、级配碎石　的容重和厚度。　２．１．２列车和轨道荷载引起的侧压力计算　根据《佛山市南海区新型公共交通系统试验段工程施　工图设计技术要求》，车辆采用低地板列车，重车轴重为　１２５ｋＮ，计算图式如图２所示（长度单位：ｍ），轨道静载　和车辆竖向活载换算土柱高度和分布宽度按表１的规定　进行。　图２列车荷载计算图式　表１　轨道及车辆荷载换算土柱高度和分布宽度　整　体　土的重　计算　分布　道　度　高度　宽度　床　（ｍ）　（ｍ）　双　线　苴　１９ｋＮ／ｍ￣　２．６９　２．５　荷　根据轨道及车辆荷载换算的土柱高度，求出相应的静止　土压力Ｐ　。　２．１．３边墙底部所受剪力和弯矩的标准值　＝Ｐ　＋Ｐｂ＋Ｐ。　Ｍｋ＝Ｐａ　ｃ　ｈＩ＋ｈ２　２．１．４荷载组合　ｕ型槽结构上可能出现的荷载，应取各自的最不利组合　进行设计，具体处理方法有：　（１）根据《建筑结构荷载规范》【　处理。当可变荷载为　主时，永久荷载乘以１．２，可变荷载乘以１．４；当永久荷载为　主时，永久荷载乘以Ｉ．３５，可变荷载乘以Ｉ．４和０．７。　（２）根据《铁路路基支挡结构设计规范》【　处理。当主　力与附加力组合时，乘以１．３的提高系数；当主力与特殊力　组合时，乘以１．４的提高系数。　根据不同的荷载组合，计算出相应的剪力和弯矩的设计　值，并取最大值Ｖ＝８６ｋＮ、Ｍ＝１０５ｋＮ・Ｉｌｌ。　２．２边墙配筋计算　由于边墙底部截面较大，在进行配筋计算时，一般采用　单筋梁设计。　２．２．１计算受压区高度　＝ａ１　ｂｘ（ｈｏ—　）　ｈ０　式中：ｘ为受压区高度，　ｏ为结构重要性系数，ａ１为混凝土　强度系数，　混凝土轴心抗压强度设计值，ｈ０为截面有效高　度，ｂ为截面宽度，　为相对界限受压区高度。　２．２．２初步配筋面积　ａＩ　ｆｃｂｘ＝ｆ　Ａｓ　Ａ　ｌａｍｉ　式中：　为受拉钢筋面积，．　为钢筋受拉强度设计值，ｈ为　截面高度，ｐ　ｉ　为最小配筋率。　２．２．３计算截面受剪承载力、箍筋配置　０．７ｆ￣ｂｈ０　式中：　为混凝土轴心抗拉强度设计值。　当上式成立时，仅需按构造要求配置箍筋，否则，要另　外计算箍筋配置。由于边墙底部截面较大，一般能满足上式　要求。　２．２．４计算边墙的最大裂缝宽度　Ｗｍ　觚＝　：　觚ａｃｔ　（１．　９９ｃ　＋ｏ．＋ｏ．ｏ８　）　Ｅ　ｓ　ｐｔｅ　Ｗｍ　０．２ｍｍ　式中：ａ　，为构件受力特征系数，　为受拉钢筋应变不均　匀系数：　为标准组合计算的受拉钢筋应力；　为钢筋的　弹性模量；Ｃ为受拉钢筋外边缘至底边的距离；　为等效　直径；ｐ　为有效受拉面积内的配筋率。　根据上式计算，当Ｍ　＞０．２ｍｍ时，则要重新调整受拉　钢筋面积　，直到符合最大裂缝的控制要求。　根据计算，边墙所需的受拉钢筋面积为１１３１ａｒｍ２，选用　１００１２，配置在边墙内侧。　２．３底板受力分析　ｕ型槽底板位于地基上，其受力分析采用弹性地基梁　法，弹性地基梁采用Ｗｉｎｋｌｅｒ模型计算　，该模型假定地基　是由许多独立的且互不影响的弹簧组成（如图３所示），即　假定地基任一点所受的压力强度Ｐ只与该点的地基变形Ｙ　成正比，而　不影响该点以外的变形，计算式为：　ｖ：旦　ｋ　式中：ｋ为地基系数，其物理意义是使地基产生单位沉　开发应用　陷所需的压强。　图３弹性地基模型图　本文应用结构分析通用程序ＳＡＰ８４对ｕ型槽结构做整　体分析，ｕ型槽受力主要有车辆等荷载引起的侧压力和垂直　压力，ｕ型槽内填料引起的侧压力和垂直压力，由于Ｕ型槽　只埋入地下０．８ｍ（底板厚），因此不考虑地下水浮力影响，　受力模型如图４所示。　＼蠹填章Ｉ＿　躺　车辆萼筒　ＳＩ起瓣　鞋力　／力　ｕ　科０ｌ起的　填黎　囊雕力　■　厂Ｔ　垂直驻　／厂Ｔ　／　Ｉ＼Ｉ　’　．１　ｌ　Ｉ　Ｉ　Ｉ｛ｌ　Ｉ　ｌ，　●　Ｉ　｝　辜车车车车辜睾辜睾车车车车车车车车　｛　图４　Ｕ型槽结构整体受力示意图　通过ＳＡＰ８４软件考虑不同的荷载组合，计算出ｕ型槽　结构所受弯矩如图５所示。　图５　Ｕ型槽结构所受弯矩示意图　由图可知，底板和边墙的连接处所受弯矩最大，底板处　最大弯矩Ｍａ＝１０５ｋＮ・ｒｎ。　２．４底板配筋计算　在计算出底板所受最大弯矩值后，参照边墙配筋计算的　步骤进行计算，底板所需的受拉钢筋的面积为２０１ｌｍｍ　，选　用１００１６，配置在底板上部。　当边墙、底板受拉主筋确定后，按照构造要求配置分布　钢筋、箍筋等。　３应注意的问题　（１）本文计算中未考虑地震力的影响，对需要考虑地震　影响的地区，要注意加入地震力的影响。　（２）本文仅针对ｕ型槽结构本身的强度进行计算，实际　设计中，还需考虑ｕ型槽结构底板以下的地基处理、沉降等　问题。　４结论及建议　（１）Ｕ型槽结构能够满足受力要求，适合用于城市轨道　交通的过渡段，能够节省用地。　（２）Ｕ型槽受力分析时，边墙与底板连接是按直角处理，　实际施工时，边墙与底板连接处采用肋角，并配置肋角加强　钢筋，确保连接处的强度。　（３）土压力按静止土压力计算，并根据不同的荷载组合，　中国西部科技２０１４年１２月第１３卷第１２期总第３０５期　２３　选择最不利的荷载组合进行设计。　（４）边墙受力分析时，可以简化为单筋梁截面；底板受　力分析时，按照弹性地基梁计算，可以采用ＳＡＰ８４程序进　行计算。　参考文献　［３】中华人民共和国国家标准．铁路路基支挡结构设计规范（ＴＢ１００２５－　２００６）［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００９．　【４】中华人民共和国国家标准．混凝土结构设计规范（ＧＢ５００１０－２０１０）［Ｓ］．　北京：中国建筑工业出版社，２０１０．　［５】黄义．弹性地基上的梁、板、壳［Ｍ］．北京：科学出版社，２００５．　【１］郭继武．地基基础设计简明手册［Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００８．　【２】中华人民共和国国家标准．建筑结构荷载规范（ＧＢ５０００９—２０１２）［Ｓ］．北　京：中国建筑工业出版社．２０１２．　【作者简介ｌ蔡天佑（１９８３一），男，工程师，主要从事结构　设计　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｕ．ｓｈａｐｅ　Ｇｒｏｏｖｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｆｏｓｈａｎ　Ｎａｎｈａｉ　Ｎｅｗ　Ｔｒａｆｆｉｃ　ＣＡＩＴｉａｒ１．ｙｏｕ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｕ．ｓｈａｐｅ　ｇｒｏｏｖｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｆｒｏｍ　ｅｌｅｖａｔｅｄ　ｌｉｎｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｌｉｎｅ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ＰａｐｅＬ　ｗｈｉｃｈ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｒａｃｋ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，　ｔｈｅ　ＳＡ－Ｐ８４　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒａｍ．ｅｔｃ．．Ｉｔ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｒｆ　ｆｕｔｕｒｅ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｕ．ｓｈａｐｅ　Ｇｒｏｏｖｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；Ｆｏｒｃｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ；Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　（上接第１４页）　５结论　本文针对射频同轴连接器的圆柱式直开槽接触件，运用　ＶＢ与Ｍａｔｌａｂ的混合编程实现了电连接器接触件的优化设　计。结果表明，利用Ｍａｔｌａｂ强大的数值计算能力，结合ＶＢ　的良好交互界面功能，可以方便快捷地对电连接器接触件进　行优化设计。且本文算法可靠且易于在计算中编程实现，可　简化设计人员的工作，提高工作效率。　［３】韩林山，李向阳，严大考．浅析灵敏度分析的几种数学方法［Ｊ］．中国水　运．２００８，０８（４）：１７６－１７８　［４梁尚明，４］殷国富．现代机械优化设计方法［Ｍ］．北京：化学工业出版社，　２００５．１３２．１３４　【基金项目ｌ四川省科技支撑计划资助项目（２０１２ＺＺ０００２）；　成都市科技支撑计划项目（编号：０９ＲＫＹＢ９８０ＺＦ一０３３）。　参考文献　［１１潘骏，靳方建，陈文华等．电连接器接触件结构分析与插拔试验［Ｊ］．中国　【作者简　．　ＣＡＤ／ＣＡＭ方面的研究。　．珍拿‘１９８８一），女，硕士，主要从事　．．。　．　机械工程２０１３，２４（１２）：１６３６．１６４１　【２］任国泰．电连接器基本知识（２）［Ｊ】ｌ２０１３，（２）：４２．４６　通讯作者徐雷，女，博士，副教授，主要研究方向为智能　ＣＡＤ技术、产品数字化设计与制造、制造业信息化技术。　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　ｆｏｒ　Ｏｐｔｉｍａｌ　Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ　Ｃｏｎｔａｃｔｓ　Ｂａｓｅ　ｏｎ　Ｍａｔｌａｂ　ａｎｄ　ＶＢ　ＹＥ　Ｚｈｅｎ－ｚｈｅｎ，　ＸＵ　Ｌｅｉ，　ＷＡＮＧ　Ｑｉａｎｇ　（Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，６１００６５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｄｅｐｅｎｄｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｃｔｓ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｃｔｓ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎ　ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｃｏｎｔａｃｔｓ　ｂａｓｅ　ｏｎ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ｓｔｒａｉｇｈｔ　ｓｌｏｔｔｅｄ　ｓｏｃｋｅｔ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｅｎｇａｇｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ，ｃｏｎｔａｃｔ　ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ，ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｈｅ　ｔｃｈａｎｇｅ　ｉｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ａｎｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｔａｎｄｉｎｇ　ｗａｖｅ　ｒａｔｉｏ　ａｓ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　ｇｏａｌ，　ａｎｄ　ｂｙ　ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｅａｆ　ｌｅｎｇｔｈ．１ｅａｆ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｌｏｔ　ｗｉｄｔｈ　ａｓ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｈｅ　ｔｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　Ｍａｔｌａｂ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ａｎｄ　ｅａｓｉｌｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔａｃｔ；Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ；Ｍａｔｌａｂ；ＶＢ