黃長木

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

在城市化建設(shè)逐步推進的今天，軌道交通高架車站的施工任務(wù)也逐步成為我國大中型城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的內(nèi)容之一?，F(xiàn)行高架車站一般采用支架現(xiàn)澆法。傳統(tǒng)支架現(xiàn)澆施工方式存在生產(chǎn)效率低、資源浪費情況嚴重、品質(zhì)難以保障、對環(huán)境影響大等缺點。

隨著大型先進設(shè)備保有量的增加和新材料的發(fā)展，為產(chǎn)業(yè)升級提供基礎(chǔ)，為城市高架車站工業(yè)化建造、預(yù)制裝配化施工提供可能。目前，預(yù)制拼裝的理念正在由民用建筑擴展到市政工程，由局部預(yù)制拼裝向全預(yù)制拼裝方向快速發(fā)展。全預(yù)制施工工藝以其施工便捷快速、質(zhì)量穩(wěn)定可靠、對交通及環(huán)境影響小等特點，在歐美、日本等國家已經(jīng)越來越多地被采用[1-7]。

基于以上原因，擬結(jié)合某建橋結(jié)合高架車站工程對城市高架車站預(yù)制裝配化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進行研究，對實現(xiàn)城市高架車站的快捷施工，減少施工對現(xiàn)狀交通的影響，縮短施工工期，具有迫切的現(xiàn)實意義。

1 項目概況

工程項目為雙柱帶長懸臂“建橋結(jié)合”高架車站。平面投影為矩形，縱向12跨，兩端部柱距為10 m，中間10跨柱距為12 m，總長度140 m；橫向柱距7.2 m，兩端懸挑8.8 m，總寬度為24.8 m；站臺層上覆蓋鋼結(jié)構(gòu)雨棚，雨棚屋面檐口高度為24.400 m，車站標準橫斷面見圖1。主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限100 a，抗震設(shè)防烈度為7度。基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁+現(xiàn)澆混凝土承臺的基礎(chǔ)形式。上部結(jié)構(gòu)擬按預(yù)制裝配整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括預(yù)制立柱、預(yù)制蓋梁、預(yù)制框架柱、預(yù)制框架疊合梁、預(yù)制鋼筋桁架疊合板、預(yù)制樓梯等。裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)等同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，采用與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相同的方法進行計算分析。

圖1 車站橫剖面示意圖（單位：mm）

2 結(jié)構(gòu)體系及拆分

車站站廳層以下為橋式雙立柱蓋梁結(jié)構(gòu)體系，站廳層以上為建式框架結(jié)構(gòu)體系?？蚣芙Y(jié)構(gòu)體系采用常規(guī)拆分法將梁、柱拆分成一維構(gòu)件，每根預(yù)制柱的長度為1層，連接套筒預(yù)埋在柱底；梁按照柱距的1個跨度為單位預(yù)制，梁主筋連接部位設(shè)置在節(jié)點核心區(qū)（見圖2）。建式框架結(jié)構(gòu)在民用建筑中已廣泛采用預(yù)制裝配式技術(shù)，工程實例眾多，此處不再贅述。

圖2 框架常規(guī)拆分法示意圖

高架車站立柱蓋梁體系類似城市高架橋梁的下部結(jié)構(gòu)，由雙柱帶懸臂蓋梁支承上部結(jié)構(gòu)。近年來上海地區(qū)的一些橋梁工程已將預(yù)制裝配技術(shù)運用于蓋梁、立柱建設(shè)中且投入運營，如嘉閔高架、虹梅路高架、S6高速公路橋等，對高架車站立柱蓋梁預(yù)制裝配具有重要的借鑒作用。但是高架車站的立柱蓋梁體系與城市高架橋又有諸多不同，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）高架車站結(jié)構(gòu)涉及到鐵路橋梁和建筑結(jié)構(gòu)2個行業(yè)的設(shè)計理論和規(guī)范，立柱蓋梁體系應(yīng)同時滿足鐵路橋梁和建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求；

（2）荷載不同，高架車站自重大，活載種類多。不僅包括建筑荷載規(guī)范要求：恒載、活載、風(fēng)載、雪載、地震作用等；還包括鐵路橋梁規(guī)范要求：主力、附加力、特殊荷載等；

（3）節(jié)點連接方式不同?？v向框架梁及上部結(jié)構(gòu)與蓋梁剛接，而且還包括樓板作用，結(jié)構(gòu)空間作用強，受力復(fù)雜。

由此可見高架車站立柱蓋梁結(jié)構(gòu)比高架橋梁更為復(fù)雜，立柱和蓋梁承上啟下是制約高架車站工期的關(guān)鍵構(gòu)件，因此立柱和蓋梁的預(yù)制裝配技術(shù)及相關(guān)連接節(jié)點的研究對于實現(xiàn)高架車站工業(yè)化、提高工程質(zhì)量、縮短施工工期具有重要意義。

3 預(yù)制立柱

國內(nèi)外研究人員對預(yù)制裝配立柱連接構(gòu)造提出很多類型，主要可歸結(jié)為：采用有粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋鋼絞線、灌漿套筒連接、金屬波紋管連接、插槽式、承插式、濕接縫等構(gòu)造來實現(xiàn)預(yù)制立柱之間、預(yù)制立柱與蓋梁和預(yù)制立柱與承臺的連接。立柱與蓋梁或立柱與承臺之間的接觸面采用砂漿墊層，立柱節(jié)段之間的接觸面采用環(huán)氧膠接縫構(gòu)造。

灌漿套筒連接和灌漿金屬波紋管連接連接可靠且施工速度快，充分體現(xiàn)出了裝配式結(jié)構(gòu)的特點，應(yīng)用最為廣泛。在規(guī)范層面上，《預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ 08-2160-2015）、《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 1-2014）等一系列相關(guān)規(guī)范標準的發(fā)布，保證了這兩種連接方式在設(shè)計上的有據(jù)可依。在實際工程運用中，上海S6高速公路4標段、嘉閔北二段高架橋梁、虹梅路高架均采用灌漿套筒連接方式。另外試驗研究表明，采用套筒、波紋管連接的立柱與現(xiàn)澆混凝土立柱相比，具有相近的抗震性能，可滿足預(yù)期的抗震性能要求。

鑒于此，本工程選用灌漿套筒作為立柱與蓋梁、立柱與承臺之間的連接方式（見圖3），并采用現(xiàn)有規(guī)范中的計算方法來完成預(yù)制立柱的計算和設(shè)計。

圖3 立柱與蓋梁及承臺連接

根據(jù)上海市建設(shè)標準《預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)規(guī)程》DG/TJ 08-2160-2015，預(yù)制拼裝立柱拼接縫處的抗剪強度按下式驗算：

式中：Vj為剪力設(shè)計值，N；Ak為破壞面鍵根部的面積，mm2；f'c為混凝土圓柱體抗壓極限強度，MPa；σn為接縫上的壓應(yīng)力，MPa；Asm為破壞面上的摩擦接觸面積，mm2。

根據(jù)行業(yè)標準《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 1—2014），在抗震設(shè)計狀態(tài)下，當(dāng)預(yù)制柱受壓時，柱底水平接縫的受剪承載力設(shè)計值應(yīng)按下式計算：

式中：fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；fy為垂直穿過結(jié)合面鋼筋抗拉強度設(shè)計值；N為與剪力設(shè)計值V相應(yīng)的垂直于結(jié)合面的軸向力設(shè)計值，取絕對值；Asd為垂直穿過結(jié)合面的所有鋼筋的面積；VeE為地震設(shè)計狀況下接縫承載力設(shè)計值。

預(yù)制裝配立柱接縫處抗剪承載力取式（1）和式（2）的兩者之較小值。

4 預(yù)制蓋梁

蓋梁主要作用是支承高架車站上部框架結(jié)構(gòu)，并將全部荷載傳遞給立柱再通過立柱傳遞到基礎(chǔ)。高架車站蓋梁受力復(fù)雜，具有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換功能，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵構(gòu)件，預(yù)制蓋梁拼裝拆分應(yīng)主要考慮以下幾個方面的問題：結(jié)構(gòu)受力合理；控制單個預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量在200 t以內(nèi)，可采用兩臺汽車吊進行現(xiàn)場吊裝；吊裝施工應(yīng)考慮對地面交通的影響。

預(yù)制蓋梁按疊合梁設(shè)計，樓板厚度范圍預(yù)留后澆區(qū)，縱梁上部鋼筋現(xiàn)場放置且貫通后澆區(qū)，樓板鋼筋在預(yù)留后澆區(qū)內(nèi)錨固，形成整體，提出以下四種預(yù)制方案并進行對比分析。

（1）蓋梁整體預(yù)制（見圖4），縱梁在節(jié)點核心區(qū)外設(shè)置后澆梁段（見圖8（a）），蓋梁可不設(shè)置臨時支撐，對地面交通基本無影響。

圖4 蓋梁預(yù)制方案一

（2）蓋梁整體預(yù)制，縱梁與立柱連接節(jié)點核心區(qū)預(yù)留現(xiàn)澆段或者縱梁高度范圍全部預(yù)留現(xiàn)澆（見圖5），縱梁鋼筋在現(xiàn)澆區(qū)域內(nèi)錨固連接（見圖8（b）），蓋梁懸挑端設(shè)置臨時支撐，對地面交通有一定影響。

（3）蓋梁在跨中預(yù)留后澆段，分兩段預(yù)制拼裝（見圖6）?？v梁在節(jié)點核心區(qū)外設(shè)置后澆梁段（見圖8（a）），蓋梁懸挑端設(shè)置臨時支撐。

（4）蓋梁分三段預(yù)制（見圖7），先吊裝中間段，利用吊架吊裝兩側(cè)預(yù)制段，臨時固定后澆筑混凝土。蓋梁可不設(shè)置臨時支撐，對地面交通基本無影響。

圖5 蓋梁預(yù)制方案二

圖6 蓋梁預(yù)制方案三

圖7 蓋梁預(yù)制方案四

縱梁與立柱蓋梁連接分為節(jié)點核心區(qū)外連接和節(jié)點核心區(qū)內(nèi)連接兩種方式（見圖8）。

上述四種蓋梁預(yù)制方案比較見表1。

通過蓋梁預(yù)制方案的綜合對比，可以看出，整體預(yù)制方案一從結(jié)構(gòu)受力性能、對交通影響角度而言是最優(yōu)方案，但受制于預(yù)制、運輸、吊裝等因素，整體預(yù)制方案適用于預(yù)制構(gòu)件體量較小的情況。當(dāng)預(yù)制蓋梁體量較大時，可采用上下分層建造或者豎向分段預(yù)制拼裝建造。方案二或方案三受力性能好，運輸?shù)跹b要求低，但對交通有一定影響。方案四具有吊裝要求低，交通影響小的優(yōu)點，缺點是接縫設(shè)置在受力較大的懸挑根部，受力性能較差，因高架車站蓋梁為轉(zhuǎn)換構(gòu)件，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，結(jié)構(gòu)性能要求高，如采用必須對連接接縫及構(gòu)件性能做專門研究。實際工程可以根據(jù)不同的情況采用相應(yīng)的預(yù)制方案。

圖8 縱梁連接方式示意圖

表1 蓋梁預(yù)制方案對比

5 關(guān)鍵連接節(jié)點

高架車站立柱蓋梁體系區(qū)別于高架橋梁主要體現(xiàn)在縱向框架梁與蓋梁的剛性連接，如何實現(xiàn)該節(jié)點連接成為建橋結(jié)合高架車站預(yù)制裝配化的關(guān)鍵性技術(shù)問題。通過研究國內(nèi)外成熟的預(yù)制裝配框架技術(shù)以及已建工程的工程實踐，在相關(guān)規(guī)范和文獻的基礎(chǔ)上結(jié)合本工程具體情況，對既有連接方式進行了改進及創(chuàng)新設(shè)計，提出預(yù)制蓋梁與縱向框架梁三種剛性連接方法。

（1）立柱蓋梁節(jié)點核心區(qū)預(yù)留后澆區(qū)，縱向框架梁下部鋼筋及抗扭鋼筋在后澆區(qū)錨固（見圖9）。下部鋼筋端頭宜采用錨固板錨固，也可采用其他機械錨固形式以減小錨固長度，直錨長度應(yīng)滿足不小于0.6laE的要求?？v梁后澆疊合層上部鋼筋現(xiàn)場放置且應(yīng)貫穿后澆核心區(qū)，縱梁端設(shè)置抗剪鍵槽。

圖9 節(jié)點1—核心區(qū)內(nèi)錨固連接

（2）立柱蓋梁節(jié)點核心區(qū)外縱向框架梁端設(shè)置后澆段，縱梁下部鋼筋及抗扭鋼筋在后澆段內(nèi)采用擠壓套筒連接（見圖10）。連接接頭距蓋梁邊不小于0.5 h（h為疊合梁截面高度）且不小于300 mm，縱向框架梁上部鋼筋貫穿蓋梁后澆疊合層，梁端及蓋梁側(cè)面應(yīng)設(shè)置抗剪鍵槽。

圖10 節(jié)點2—核心區(qū)外后澆梁段內(nèi)連接

（3）明牛腿連接節(jié)點（見圖11），縱向框架梁下部鋼筋通過梁底預(yù)埋鋼板與牛腿頂預(yù)埋鋼板焊接連接，抗扭鋼筋在后澆段內(nèi)采用單面焊接接頭，焊接長度不小于10d（d為鋼筋直徑），后澆段長度根據(jù)焊接要求確定且不小于200，縱向框架梁上部鋼筋貫穿蓋梁后澆疊合層，梁端及蓋梁側(cè)面設(shè)置抗剪鍵槽，梁端箍筋加密范圍應(yīng)從牛腿外邊緣算起。

圖11 節(jié)點3—明牛腿連接節(jié)點

上述三種節(jié)點均可實現(xiàn)縱向框梁與立柱蓋梁體系的剛性連接。節(jié)點1主要用于蓋梁預(yù)制方案二中，要求節(jié)點核心區(qū)預(yù)留后澆區(qū)，節(jié)點構(gòu)造簡單，施工便捷，缺點是蓋梁的完整性稍差。節(jié)點2、節(jié)點3將后澆區(qū)設(shè)置在節(jié)點核心區(qū)外，保證蓋梁完整性，適用于蓋梁的全預(yù)制方案。通過合理的設(shè)計節(jié)點3可實現(xiàn)縱向框架梁無臨時支撐施工。

預(yù)制拼裝蓋梁采用豎向分段預(yù)制拼裝建造時，預(yù)制構(gòu)件的拼接面應(yīng)采用剪力鍵槽方式，縱向下部鋼筋及抗扭鋼筋通過灌漿套筒或者冷擠壓套筒連接，上部鋼筋現(xiàn)場放置，見圖12。

圖12 預(yù)制蓋梁拼裝連接節(jié)點

剪力鍵槽深度t不宜小于30 mm，寬度w不宜小于深度的3倍且不宜大于深度的10倍；鍵槽貫通截面，間距等于鍵槽寬度；鍵槽端部斜面傾角不宜大于30°。蓋梁豎向接縫受剪承載力由鍵槽抗剪能力、后澆混凝土疊合層抗剪能力和梁縱向鋼筋的銷栓抗剪作用三部分組成，地震工況下抗剪承載力按下式計算：

式中：Ac1為梁端截面后澆混凝土疊合層截面面積；fc為預(yù)制構(gòu)件混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；fy為垂直穿過結(jié)合面鋼筋抗拉強度設(shè)計值；Ak為各鍵槽的根部截面面積之和，按后澆鍵槽根部截面和預(yù)制鍵槽根部截面分別計算，并取二者的較小值；Asd為垂直穿過結(jié)合面所有鋼筋的面積，包括疊合層內(nèi)的縱向鋼筋。

6 結(jié)語

以某建橋結(jié)合高架車站工程為例，實現(xiàn)了預(yù)制裝配技術(shù)在建橋結(jié)合高架車站結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。根據(jù)高架車站特點，結(jié)合民用建筑及高架橋梁預(yù)制裝配化技術(shù)的應(yīng)用實例，提出建橋結(jié)合高架車站的構(gòu)件拆分及預(yù)制拼裝方法。通過研究國內(nèi)外成熟的預(yù)制裝配連接節(jié)點和已建工程的工程實踐，在相關(guān)規(guī)范和文獻的基礎(chǔ)上結(jié)合本工程具體情況，對既有連接方式進行了改進及創(chuàng)新設(shè)計，提出預(yù)制蓋梁與縱向框架梁三種剛性連接方法及預(yù)制蓋梁拼裝連接節(jié)點。對類似工程具有借鑒和推廣價值。