張宏亮，高 耀，李志強(qiáng)，尹 俊

(中鐵建工集團(tuán)第五建設(shè)有限公司，廣東 廣州 511400)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)技術(shù)已有廣泛應(yīng)用，但大多數(shù)裝配式構(gòu)件安裝技術(shù)僅限于單一的房建工程或鐵路、市政橋梁工程，在地鐵車輛段尚未有成熟的裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)用。目前裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)用較為廣泛的方向偏于結(jié)構(gòu)形式單一、點(diǎn)面較小的住宅類或公寓類工程，或是偏于呈線性的橋梁工程，此類工程有適于裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)用的良好條件。但在面廣非線性的工程中，傳統(tǒng)裝配式結(jié)構(gòu)形式往往不適用，相應(yīng)的構(gòu)件、構(gòu)造節(jié)點(diǎn)、抗震性能達(dá)不到要求，或是沒(méi)有相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。然而非線性和占地廣的項(xiàng)目數(shù)量較多，如廠房類工程，地鐵車輛段和停車場(chǎng)等綜合性建筑，在此類建筑類型中研究裝配式結(jié)構(gòu)的可行性和應(yīng)用有較好的前景，也十分必要[1-2]。

1 工程概況

廣州地鐵11號(hào)線全長(zhǎng)約44.2km，全部采用地下敷設(shè)方式，全線共設(shè)車站32座，赤沙車輛段1座，主變電站3 座。11號(hào)線為廣州市中心環(huán)線，也是廣州地鐵首條環(huán)線，基本環(huán)繞廣州中心城區(qū)。全線僅設(shè)置1座車輛段，兼顧“車輛段+停車場(chǎng)”功能。

赤沙車輛段為廣州地鐵11號(hào)線的配套站后設(shè)施，主要用于11號(hào)線的列車停車與檢修。車輛段設(shè)計(jì)占地面積29.4萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)建筑面積為36.2萬(wàn)m2，停車檢修共90列位。原設(shè)計(jì)地下及地上各1層，結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。為縮短建設(shè)周期以及推動(dòng)裝配式結(jié)構(gòu)在地鐵建筑中的快速發(fā)展，計(jì)劃以本車輛段工程為試點(diǎn)，對(duì)地鐵車輛段建筑進(jìn)行裝配式結(jié)構(gòu)可行性研究和探索。

2 裝配式方案研究

目前裝配式主要分為房建裝配式和公路鐵路橋梁裝配式。房建裝配式集中在住宅和公寓，包括水平結(jié)構(gòu)的疊合樓板、豎向結(jié)構(gòu)墻體、樓梯、門窗、外墻板等。公路鐵路橋梁裝配式則集中在裝配式箱梁、裝配式墩臺(tái)等[3-4]。

2.1 房建裝配式形式

傳統(tǒng)房建方案以常規(guī)施工順序?yàn)榛A(chǔ)，采用現(xiàn)澆混凝土疊合梁+雙T板，通過(guò)梁側(cè)板與樓層板整體預(yù)制，兼作梁側(cè)模，為現(xiàn)澆混凝土模板提供必要的支撐，取消施工臨時(shí)支撐。房建裝配式結(jié)構(gòu)形式主要以小構(gòu)件、輕型構(gòu)件為主，如混凝土預(yù)制疊合梁、疊合板等。此類結(jié)構(gòu)形式工藝成熟，施工速度快、效率高。但對(duì)于車輛段大跨度結(jié)構(gòu)以及涉及預(yù)留的上蓋物業(yè)開發(fā)結(jié)構(gòu)，疊合梁板等結(jié)構(gòu)受力性能遠(yuǎn)不能滿足要求。

因房建常用裝配式構(gòu)造及節(jié)點(diǎn)對(duì)于本工程大荷載大跨度結(jié)構(gòu)形式以及涉及預(yù)留的上蓋物業(yè)開發(fā)結(jié)構(gòu)適用性不足，傳統(tǒng)房建裝配式對(duì)地鐵車輛段類建筑可行性不足。

2.2 橋梁裝配式形式

針對(duì)車輛段重載的特征，公路鐵路橋梁裝配式比較接近。引入橋梁設(shè)計(jì)預(yù)制理念，將地鐵車輛段劃分為若干條“線狀橋梁”結(jié)構(gòu)，采用箱梁構(gòu)件，解決重載問(wèn)題。采用預(yù)應(yīng)力體系，參照大跨橋梁結(jié)構(gòu)，預(yù)制構(gòu)件引入預(yù)應(yīng)力，解決大跨度問(wèn)題。

橋梁裝配式可以很好地解決車輛段的“重載+大跨度”問(wèn)題，但橋梁裝配式豎向結(jié)構(gòu)墩柱過(guò)于密集，無(wú)法解決車場(chǎng)“大空間”問(wèn)題。

2.3 初步確定裝配式形式

蓋板水平結(jié)構(gòu)仍采用橋梁裝配式的“簡(jiǎn)支箱梁+預(yù)應(yīng)力”結(jié)構(gòu)體系，而柱墻等豎向結(jié)構(gòu)采用房建類“預(yù)制墻柱構(gòu)件”形式。該裝配式結(jié)構(gòu)形式裝配率可達(dá)75%，采用傳統(tǒng)輪胎式架梁機(jī)等裝備也能滿足施工需求。初步確定的裝配式結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 初步確定的裝配式結(jié)構(gòu)形式

2.4 初步確定的裝配式結(jié)構(gòu)問(wèn)題分析

初步確定的裝配式結(jié)構(gòu)需解決以下結(jié)構(gòu)安全和超限設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1)梁柱節(jié)點(diǎn)的可靠性 箱梁與現(xiàn)澆柱節(jié)點(diǎn)連接和嵌固錨固的可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

2)結(jié)構(gòu)抗震性能的安全性 該結(jié)構(gòu)為非常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)體系，抗震的屈服機(jī)制和安全性需校正。

3)超限設(shè)計(jì)審查 該新型結(jié)構(gòu)體系超出現(xiàn)有規(guī)范結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)范圍。

4)面臨的梁柱節(jié)點(diǎn)問(wèn)題主要表現(xiàn)在抗震作用下的受力可靠性問(wèn)題，如圖2所示意。

圖2 梁柱節(jié)點(diǎn)

在明確初步確定的裝配式方案后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)計(jì)算，并提交多輪高級(jí)別專家評(píng)審及結(jié)構(gòu)超限預(yù)審查，明確了“豎向墩柱構(gòu)件調(diào)整為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，縱橫梁柱節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)、增加面層疊合混凝土現(xiàn)澆”的大幅修改原則。

同時(shí)明確在此基礎(chǔ)上進(jìn)行節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能、1∶10振動(dòng)臺(tái)、1∶1試驗(yàn)段建設(shè)驗(yàn)證等相關(guān)試驗(yàn)，取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)后開展施工圖設(shè)計(jì)。

2.5 梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)受力和構(gòu)造相對(duì)較為復(fù)雜，通過(guò)節(jié)點(diǎn)模型試驗(yàn)驗(yàn)證梁柱節(jié)點(diǎn)的可靠性，主要考察驗(yàn)證靜力荷載下的傳力機(jī)理、變形性態(tài)與承載性能。

為考察節(jié)點(diǎn)在靜力荷載下的傳力機(jī)理、變形性態(tài)與承載性能以及在低周往復(fù)荷載作用下的抗震性能與滯回特性，包括破壞過(guò)程、失效模式、極限承載力、延性特征和耗能能力等，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，保證結(jié)構(gòu)安全性，進(jìn)行關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。

通過(guò)模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)受力存在缺陷，經(jīng)過(guò)綜合優(yōu)化，原節(jié)點(diǎn)裝配連接方案改為后澆方案，外墻板等豎向裝配同時(shí)改為現(xiàn)澆方案。

2.6 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證

為明確結(jié)構(gòu)的薄弱部位，研究上蓋物業(yè)建筑剛度突變、豎向構(gòu)件轉(zhuǎn)換、扭轉(zhuǎn)等對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能影響的規(guī)律，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，模型采用1∶10 縮尺比例，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下的整體動(dòng)力響應(yīng)和轉(zhuǎn)換層抗震性能以及超限高度的地鐵上蓋高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

試驗(yàn)方案采用相似設(shè)計(jì)理念，從幾何性能、材料性能、模型、荷載、動(dòng)力等方面設(shè)計(jì)試驗(yàn)，相關(guān)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 試驗(yàn)方案相似設(shè)計(jì)1

表2 試驗(yàn)方案相似設(shè)計(jì)2

地震工況設(shè)計(jì)中，試驗(yàn)中臺(tái)面振動(dòng)激勵(lì)方式采用天然波和人工波兩種分別進(jìn)行，如表3所示。

表3 地震工況設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)與震害結(jié)果如下。

1)7度多遇地震作用下 自振頻率基本不變；試驗(yàn)y向、x向最大層間位移角分別為1/909，1/980，小于廣東省標(biāo)準(zhǔn)DJB15—92—2013《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中限值(1/800)，滿足規(guī)程要求，無(wú)明顯可見裂縫、變形等破壞。結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)，基本滿足小震不壞的抗震要求。

2)7度設(shè)防地震作用下y向和x向自振頻率下降10%左右；柱中、柱牛腿平臺(tái)和預(yù)制梁段均產(chǎn)生微裂縫。模型結(jié)構(gòu)已進(jìn)入彈塑性階段，滿足中震可修的抗震要求。

3)7度罕遇地震作用下y向和x向自振頻率下降25%左右；柱中、柱牛腿平臺(tái)和預(yù)制梁段均產(chǎn)生明顯裂縫，剪力墻連梁產(chǎn)生多條豎向微裂縫；y向、x向最大層間位移角1/235，1/250，未超出限值(1/120)，滿足大震不倒的抗震要求。

此結(jié)構(gòu)形式經(jīng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，抗震性能指標(biāo)基本滿足安全要求。經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化和改進(jìn)，此新型裝配式結(jié)構(gòu)體系亦通過(guò)了超限設(shè)計(jì)審查。

2.7 試驗(yàn)段工藝驗(yàn)證

試驗(yàn)段主要從以下4個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證：箱梁構(gòu)件制作工藝驗(yàn)證、架梁工藝、連接節(jié)點(diǎn)施工、施工工效驗(yàn)證。

1)檢驗(yàn)可實(shí)施性 采用試驗(yàn)段形式對(duì)設(shè)計(jì)可實(shí)施性進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)柱體、制梁、濕接縫和鋪裝層的工藝進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)。同時(shí)，確定合理優(yōu)化的施工架設(shè)設(shè)備。

2)驗(yàn)證和改進(jìn)施工工藝 預(yù)制構(gòu)件的制作工藝、混凝土施工條件、方法及技術(shù)要求，確定合理的預(yù)制構(gòu)件制作工藝。

3)預(yù)制構(gòu)件共計(jì)39件，其中箱梁27件，縱梁12件。預(yù)制構(gòu)件尺寸按 1∶1 比例，如圖3所示。

圖3 工藝試驗(yàn)段預(yù)制構(gòu)件尺寸

2.8 最終裝配式結(jié)構(gòu)形式

經(jīng)過(guò)多輪專家審查和相關(guān)試驗(yàn)以及深化設(shè)計(jì)，最終確定了車輛段的裝配式結(jié)構(gòu)形式如下。

1)車輛段采用裝配式方式代替現(xiàn)澆，形成地鐵車輛段裝配式結(jié)構(gòu)體系。

2)蓋板水平結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)支箱梁+預(yù)應(yīng)力體系結(jié)構(gòu)；柱墻等豎向結(jié)構(gòu)采用房建體系現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。最終裝配式結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 最終裝配式結(jié)構(gòu)形式

3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和構(gòu)造研究

關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)主要有梁柱相交節(jié)點(diǎn)，在類似地鐵車輛段工程中，梁柱構(gòu)件含鋼量較高，柱構(gòu)件和梁構(gòu)件均幾乎滿布鋼筋。梁構(gòu)件和柱構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和連接對(duì)整體抗震性能和后續(xù)施工實(shí)施有很大的影響。梁柱節(jié)點(diǎn)的難點(diǎn)：①在滿足抗震要求下，梁柱節(jié)點(diǎn)連接可靠性問(wèn)題以及滿布鋼筋科學(xué)合理連接問(wèn)題；②梁構(gòu)件與梁構(gòu)件之間連接的可靠性問(wèn)題以及縱梁和橫梁與柱碰撞性問(wèn)題。

為解決以上問(wèn)題，對(duì)梁柱構(gòu)造節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析和工藝試驗(yàn)。

1)梁與柱節(jié)點(diǎn) 柱體采用現(xiàn)澆方式，預(yù)留豎向鋼筋，在主體上設(shè)置豎向牛腿，增加梁構(gòu)件與柱構(gòu)件的擱置接觸面積，增加抗震性能，同時(shí)又有利于解決梁構(gòu)件鋼筋與柱構(gòu)件鋼筋密集碰撞問(wèn)題，如圖5所示。

圖5 典型梁柱節(jié)點(diǎn)

2)梁與梁節(jié)點(diǎn) 引入濕接縫+疊合面層設(shè)計(jì)，既能解決相鄰梁體之間的連接可靠性問(wèn)題，又能加強(qiáng)縱橫梁抗震性能和結(jié)構(gòu)的整體性，如圖6所示。

圖6 梁與梁節(jié)點(diǎn)連接

4 結(jié)構(gòu)體系技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

地鐵車輛段裝配式結(jié)構(gòu)體系屬于新型結(jié)構(gòu)體系，既滿足地鐵公共建筑重載的功能性需求，又適于工業(yè)化生產(chǎn)。由于構(gòu)件的預(yù)制化生產(chǎn)，可以把施工現(xiàn)場(chǎng)大量的重復(fù)性工作利用高度機(jī)械化和自動(dòng)化的預(yù)制生產(chǎn)線進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，構(gòu)件制作工時(shí)占總工時(shí)的65%，安裝占20%～25%，運(yùn)輸占10%～15%，可以很大程度縮短建設(shè)周期，有利于快速推進(jìn)地鐵等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。廣州地鐵11號(hào)線赤沙車輛段的建設(shè)周期原定為36個(gè)月，經(jīng)過(guò)分析和論證，裝配式結(jié)構(gòu)體系建設(shè)周期可壓縮至28個(gè)月，整體工期縮短25%。

在具體建設(shè)實(shí)施過(guò)程中，裝配式結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)可節(jié)約大量支模支架體系。與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建造方式相比，地鐵裝配式結(jié)構(gòu)基本上無(wú)需模板支架和支撐龍骨，支模模板和鋼管支架可節(jié)省95%，同時(shí)工廠化施工減少了鋼筋廢料的產(chǎn)生，減少了養(yǎng)護(hù)用水和現(xiàn)澆混凝土泵車及罐車沖洗用水，由于裝配式項(xiàng)目涉及較多的構(gòu)件吊裝，施工耗電量沒(méi)有顯著降低。

5 結(jié)語(yǔ)

最終確定的裝配式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安全和超限設(shè)計(jì)問(wèn)題基本上得到解決，但施工裝備、架梁設(shè)備選型上出現(xiàn)新的難題。車輛段裝配形式為縱橫雙向而非線性，與常規(guī)房建和橋梁裝配式相差較大，同時(shí)存在現(xiàn)澆作業(yè)以及蓋板面現(xiàn)澆疊合層作業(yè)，傳統(tǒng)架橋機(jī)、門式起重機(jī)不能很好滿足施工架設(shè)要求，是后續(xù)施工需進(jìn)一步解決的難題。