郭正興，耿佳名，徐 政，潘 清，劉 毅，徐軍林，邢 瓊

(1.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211189； 2.無錫地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 無錫 214023； 3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

目前，地鐵車站的建造仍以現(xiàn)澆混凝土的傳統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)，該技術(shù)施工耗時(shí)長(zhǎng)、工序復(fù)雜、對(duì)街道污染較大[1]。運(yùn)用預(yù)制裝配技術(shù)發(fā)展裝配式地鐵車站可消除現(xiàn)場(chǎng)施工的諸多弊病，可有效保證構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量，減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)造成的環(huán)境污染和資源消耗，提高施工效率，降低成本，縮短工期[2]。

國(guó)外裝配式地鐵車站的發(fā)展較早，白俄羅斯采用大跨坦拱裝配式結(jié)構(gòu)建造了明斯克地鐵車站[3]，避免了寒冷氣候給現(xiàn)澆混凝土施工帶來的影響；法國(guó)在巴黎地鐵地區(qū)快車線采用預(yù)制鋼筋混凝土管片裝配拱技術(shù)修建了地下車站；俄羅斯采用裝配式層間樓板單拱結(jié)構(gòu)建成了圣彼得堡地鐵站[4]。

我國(guó)的裝配式地鐵車站技術(shù)正處于起步階段，長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線袁家店車站是我國(guó)首次采用全預(yù)制裝配式技術(shù)建造的地鐵車站[5]。楊秀仁等[6-8]通過對(duì)37 組足尺接頭模型的抗彎性能試驗(yàn)，研究了接頭構(gòu)造、注漿材料、注漿范圍等參數(shù)對(duì)榫槽接頭抗彎性能的影響。北京地鐵6號(hào)線金安橋站[9]采用裝配整體結(jié)構(gòu)形式的明挖車站方案。濟(jì)南軌道交通R1線演馬莊西站[10]采用了預(yù)制板與現(xiàn)澆板相結(jié)合、預(yù)制立柱與永久結(jié)構(gòu)柱相結(jié)合及預(yù)制樁與主體結(jié)構(gòu)墻相結(jié)合的施工工藝。

1 新型疊合預(yù)制裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)體系

目前已有的研究大多集中于全預(yù)制裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)，車站預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)安裝，通常采用沿基坑邊布置移動(dòng)龍門式起重機(jī)的方式逐塊安裝預(yù)制構(gòu)件到設(shè)計(jì)位置，全預(yù)制裝配式地鐵站預(yù)制構(gòu)件自重較大，在有基坑內(nèi)撐的施工條件下，位于內(nèi)撐下方的全預(yù)制構(gòu)件難以直接安裝到位，影響安裝效率；同時(shí)，較重的全預(yù)制構(gòu)件也存在交通運(yùn)輸上的不便。為此，提出新型疊合預(yù)制裝配式地下車站結(jié)構(gòu)體系。

車站結(jié)構(gòu)體系如圖1所示，車站底板為現(xiàn)澆混凝土底板；中柱采用外側(cè)設(shè)有防火混凝土的鋼管混凝土柱，鋼管及外側(cè)混凝土均在工廠制作完成，現(xiàn)場(chǎng)灌注鋼管內(nèi)混凝土；外墻、頂板、中板、縱梁均為預(yù)制疊合構(gòu)件，中板和頂板均采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力疊合板，外墻由內(nèi)側(cè)半預(yù)制墻板和外側(cè)現(xiàn)澆混凝土形成疊合整體式墻板結(jié)構(gòu)，單側(cè)預(yù)制墻板分層分塊預(yù)制，厚度約為整體式墻板厚的一半，并在單側(cè)預(yù)制墻板底部、頂部外伸出豎向U形鋼筋實(shí)現(xiàn)與頂板、中板及底板的扣搭連接，然后澆筑側(cè)墻外側(cè)及疊合板頂板混凝土形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)整體。采用單側(cè)半預(yù)制墻板、半預(yù)制預(yù)應(yīng)力樓板及半預(yù)制鋼管柱代替全預(yù)制裝配式車站中相應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可有效減輕構(gòu)件自重，克服全預(yù)制構(gòu)件不適用于有內(nèi)撐基坑的局限性，方便預(yù)制構(gòu)件的安裝與運(yùn)輸。

2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力性能試驗(yàn)研究

采用U形鋼筋搭接連接的疊合預(yù)制裝配式側(cè)墻節(jié)點(diǎn)首次應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)，其受力性能是影響結(jié)構(gòu)整體承載能力的關(guān)鍵，為此，結(jié)合無錫至江陰城際軌道交通工程，設(shè)計(jì)制作了足尺的側(cè)墻與底板節(jié)點(diǎn)試件及足尺的側(cè)墻與頂板節(jié)點(diǎn)試件，通過擬靜力試驗(yàn)進(jìn)行研究。

2.1 側(cè)墻與底板連接節(jié)點(diǎn)

車站側(cè)墻與底板的連接形式如圖2所示。預(yù)制內(nèi)側(cè)墻底部伸出豎向U形鋼筋，車站底板在外墻板部位錯(cuò)位伸出與預(yù)制墻板底部U形鋼筋對(duì)應(yīng)的下U形鋼筋，上下U形環(huán)筋搭接連接后在扣搭區(qū)內(nèi)插入橫向鋼筋，最后通過現(xiàn)場(chǎng)澆筑預(yù)制墻板外側(cè)及連接區(qū)混凝土，實(shí)現(xiàn)車站外墻與底板的連接。依據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)了預(yù)制拼裝側(cè)墻底節(jié)點(diǎn)足尺試件模型及相同規(guī)格的現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)模型，通過擬靜力加載試驗(yàn)分析試件在低周往復(fù)荷載下的破壞形態(tài)及承載力。

圖2 側(cè)墻底節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意

2.1.1試件設(shè)計(jì)與加載方案

根據(jù)加載設(shè)備的限制條件，將試件高度設(shè)為4 380mm，其中，底板厚900mm，側(cè)墻高3 480mm。根據(jù)地下車站橫截面的內(nèi)力包絡(luò)圖對(duì)試件側(cè)墻厚度及配筋進(jìn)行設(shè)計(jì)。試件的側(cè)墻厚700mm，由于車站側(cè)墻底部剪力較大，因此在試件底部進(jìn)行加腋處理，腋板高600mm。側(cè)墻的縱向?qū)挾染? 000mm。 現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)試件(SJ1)尺寸及配筋如圖3a所示，現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，鋼筋等級(jí)均為HRB400。裝配式側(cè)墻底節(jié)點(diǎn)試件(PSJ1，見圖3b)中單側(cè)預(yù)制墻板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，墻身內(nèi)外側(cè)對(duì)稱配置7根φ25受力鋼筋，受力鋼筋伸出墻底形成U形鋼筋。底板采用C50混凝土，板頂伸出7根用于扣搭連接的φ32 U形鋼筋。單側(cè)預(yù)制墻板外側(cè)與連接區(qū)現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。

圖3 側(cè)墻底節(jié)點(diǎn)試件構(gòu)造示意

試件底板通過地腳螺栓固定于實(shí)驗(yàn)室底板，底板兩側(cè)設(shè)置限位千斤頂防止試件底部的水平滑移(見圖4)。通過加載端頭實(shí)現(xiàn) 1 000kN 液壓伺服控制系統(tǒng)(MTS)與試件墻頂?shù)倪B接，以施加墻頂?shù)乃降椭芊磸?fù)荷載。試件在正向荷載(推)作用下的承載力較高，因此采用負(fù)向荷載作用下的屈服荷載Py及屈服位移Δy制定加載制度。采用位移控制加載，在試件達(dá)到屈服位移前，加載步分別為0.25Δy，0.5Δy，0.75Δy，每級(jí)循環(huán)1次；在試件達(dá)到屈服位移Δy后，以Δy的整數(shù)倍進(jìn)行加載，每級(jí)循環(huán)3次，直至試件破壞或承載力下降至最大值的85%。

圖4 側(cè)墻底節(jié)點(diǎn)加載裝置

2.1.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

試件最終破壞形態(tài)如圖5所示，試件SJ1為剪切破壞，而試件PSJ1則是在節(jié)點(diǎn)連接區(qū)的最外側(cè)U形鋼筋彎弧處彎折斷裂。加載過程中最外側(cè)U形鋼筋側(cè)面混凝土保護(hù)層出現(xiàn)豎向黏結(jié)開裂裂縫，鋼筋黏結(jié)強(qiáng)度出現(xiàn)退化，增加了U形鋼筋彎弧段內(nèi)側(cè)混凝土壓力，造成彎弧段鋼筋受彎破壞。

圖5 試件SJ1，PSJ1破壞形態(tài)

兩試件的側(cè)墻頂荷載-位移滯回曲線與骨架曲線如圖6所示。由于墻底內(nèi)外側(cè)配筋率的差異及墻內(nèi)側(cè)的加腋構(gòu)造，所有試件的荷載-位移曲線在推拉方向均不完全對(duì)稱。通過骨架曲線可得到兩試件在推(正)拉(負(fù))方向的峰值荷載Pmax、破壞時(shí)的極限位移Δu、開裂荷載Pcr、開裂位移Δcr及初始環(huán)線剛度等參數(shù)，如表1所示。對(duì)比分析可知，預(yù)制拼裝試件的正向峰值荷載只比現(xiàn)澆試件降低了4.87%，可滿足構(gòu)件設(shè)計(jì)的承載力要求，同時(shí)由于U形鋼筋搭接連接對(duì)試件局部剛度的提高，試件PSJ1在推拉方向的平均初始剛度較現(xiàn)澆試件SJ1提高了3.6%。

圖6 底節(jié)點(diǎn)試件荷載-位移滯回曲線與骨架曲線

表1 側(cè)墻底節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

2.2 側(cè)墻與頂板連接節(jié)點(diǎn)

車站側(cè)墻與預(yù)應(yīng)力頂板的連接形式如圖7所示。預(yù)制內(nèi)側(cè)墻頂部伸出的豎向U形鋼筋與樓板兩端伸出的U形鋼筋搭接連接，現(xiàn)場(chǎng)澆筑預(yù)制墻板外側(cè)及疊合樓板混凝土。依據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)了預(yù)制拼裝側(cè)墻頂節(jié)點(diǎn)足尺試件模型及相同規(guī)格的現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)模型，通過對(duì)兩組節(jié)點(diǎn)試件的擬靜力加載試驗(yàn)，對(duì)比分析了兩節(jié)點(diǎn)試件在低周往復(fù)荷載下的破壞形態(tài)及承載能力，為側(cè)墻頂節(jié)點(diǎn)在地下結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及推廣奠定試驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。

圖7 側(cè)墻頂節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意

2.2.1試件設(shè)計(jì)與加載方案

根據(jù)加載設(shè)備的限制條件，試件中側(cè)墻高 3 000mm， 寬1 000mm，頂板長(zhǎng)3 300mm試件中側(cè)墻與頂板的受力鋼筋均為φ25 HRB400級(jí)鋼筋，預(yù)制段混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，現(xiàn)澆段混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。試件RJ1，PRJ1尺寸與配筋如圖8所示。

圖8 側(cè)墻頂節(jié)點(diǎn)試件構(gòu)造示意

節(jié)點(diǎn)試件側(cè)墻通過地腳螺栓固定于實(shí)驗(yàn)室底板，通過加載端頭實(shí)現(xiàn)1 000kN 液壓伺服控制系統(tǒng)(MTS)與試件頂板的連接，以施加墻頂?shù)乃降椭芊磸?fù)荷載(見圖9)。試驗(yàn)前通過ABAQUS分析得到節(jié)點(diǎn)的理論屈服位移Δy=14.4mm，在試件達(dá)到屈服位移前，加載步分別為 0.25Δy，0.5Δy，0.75Δy，每級(jí)循環(huán)1次；在試件達(dá)到屈服位移Δy后，以Δy的整數(shù)倍進(jìn)行加載，每級(jí)循環(huán) 3 次，直至試件破壞或承載力下降至峰值的85%。

圖9 側(cè)墻頂節(jié)點(diǎn)加載裝置

2.2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

試件最終破壞形態(tài)如圖10所示，試件RJ1為側(cè)墻剪切破壞，試件PRJ1發(fā)生了U形扣搭鋼筋周圍混凝土剝落破壞。加載過程中最外側(cè)U形鋼筋側(cè)面混凝土保護(hù)層出現(xiàn)豎向黏結(jié)開裂裂縫，鋼筋黏結(jié)強(qiáng)度出現(xiàn)退化，增加了U形鋼筋彎折段周圍混凝土壓力，造成了混凝土壓碎破壞。

兩試件的頂板加載端的荷載-位移滯回曲線與骨架曲線如圖11所示。加載初期試件處于彈性階段，滯回環(huán)狹長(zhǎng)耗能??；試件進(jìn)入屈服階段后，滯回環(huán)逐漸飽滿，耗能能力逐漸提升。通過骨架曲線可以得到峰值荷載Pmax、破壞時(shí)極限位移Δu、開裂荷載Pcr、開裂位移Δcr、屈服荷載Py、屈服位移及初始環(huán)線剛度等參數(shù)，如表2所示。對(duì)比分析可知，由于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)RJ1在側(cè)墻與頂板相交處設(shè)置的腋板高度較高，因此其極限承載力較預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)提高了18.5%，其初始剛度較預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)提高了9%，但預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)的承載力仍然滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 試件RJ1，PRJ1破壞形態(tài)

圖11 頂節(jié)點(diǎn)試件荷載-位移滯回曲線與骨架曲線

表2 側(cè)墻頂節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

提出新型疊合預(yù)制裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)體系，車站外墻采用單側(cè)半預(yù)制疊合墻板，通過墻板底部及頂部伸出的豎向U形鋼筋實(shí)現(xiàn)與車站底板及車站疊合頂板的連接。通過擬靜力試驗(yàn)研究了節(jié)點(diǎn)在低周往復(fù)荷載作用下的受力性能，得出以下結(jié)論。

1)預(yù)制拼裝側(cè)墻節(jié)點(diǎn)承載力較低，但可滿足構(gòu)件設(shè)計(jì)的承載力要求。

2)U形鋼筋搭接有效傳遞荷載。U形鋼筋通過與周圍混凝土的黏結(jié)實(shí)現(xiàn)搭接筋力的傳遞。當(dāng)U形筋側(cè)面混凝土保護(hù)層較薄時(shí)，鋼筋黏結(jié)強(qiáng)度較早退化，增加了U形鋼筋彎弧及水平段對(duì)內(nèi)外側(cè)混凝土的壓力，造成混凝土剝落，隨著壓力的增加可能發(fā)生彎弧段鋼筋脆性斷裂。