李育慧 麥家兒** 孫 菁 王利軍 何冠鴻

(1. 廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司, 510010, 廣州; 2. 廣州地鐵建設(shè)管理有限公司, 510330, 廣州∥第一作者, 工程師)

裝配式地鐵車站的結(jié)構(gòu)型式主要分為全預(yù)制裝配式和裝配整體式,前者采用構(gòu)件干式連接,避免了現(xiàn)澆濕式作業(yè),由預(yù)制構(gòu)件通過榫卯等型式直接拼裝而成。長春軌道交通2號線雙豐站、興隆堡站等即為我國首批采用全預(yù)制裝配技術(shù)的地鐵車站[1]。全預(yù)制裝配式地鐵車站具有預(yù)制率高、現(xiàn)場無澆筑等優(yōu)點,但其構(gòu)件自重大,對運輸和吊運條件要求高,且其防水性能也尚未經(jīng)過長期驗證。因此,更多城市采用的是裝配整體式地鐵車站,其由預(yù)制構(gòu)件可靠連接,并與現(xiàn)場后澆材料形成整體的裝配式結(jié)構(gòu),其受力特性等同現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。上海軌道交通15號線吳中路站是我國首座軟土地區(qū)采用預(yù)制拼裝結(jié)合現(xiàn)澆疊合拱殼的無柱大跨地鐵車站,其站廳層采用預(yù)制無柱拱板+現(xiàn)澆拱座的疊合拱殼結(jié)構(gòu)[2]。濟南軌道交通1號線方特站運用深基坑大尺寸預(yù)制疊合結(jié)構(gòu)施工方法,將預(yù)制肋疊合墻、復(fù)合立柱和預(yù)應(yīng)力疊合頂板應(yīng)用于地鐵車站,在縮短施工工期的同時節(jié)約了施工成本。在北京、哈爾濱、青島和無錫等我國多個城市也在地鐵車站中應(yīng)用或規(guī)劃應(yīng)用裝配式地鐵車站。

目前,裝配式車站的主要受力構(gòu)件基本選用預(yù)制普通混凝土,其造價分析僅局限于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的對比研究[3-4],缺少對構(gòu)件型式和材料方面的比選分析?；诖?本文在上涌公園裝配式車站成功實踐的基礎(chǔ)上[5],針對裝配式地鐵車站永臨結(jié)合方案研究不足的問題,對裝配式地鐵車站永臨結(jié)合方案的結(jié)構(gòu)型式、拼裝模式進(jìn)行了深入研究,對預(yù)制橫梁、縱梁的梁型進(jìn)行了比選分析。本研究可為地鐵和城際鐵路裝配式車站的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

1 永臨結(jié)合裝配式車站方案概述

永臨結(jié)合裝配式地鐵車站方案的設(shè)計思路為將臨時圍護(hù)結(jié)構(gòu)與永久主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合。永臨結(jié)合裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)型式示意圖如圖1所示。車站的主要圍護(hù)結(jié)構(gòu),即地下連續(xù)墻和混凝土支撐,兼做車站永久結(jié)構(gòu)的側(cè)墻(或側(cè)墻的一部分)和樓板橫梁。該方案的主要建造工序為:① 成槽澆筑地連墻;② 土方開挖;③ 依次施工第1道—第3道混凝土支撐(第2道支撐標(biāo)高與頂板標(biāo)高對應(yīng)、第3道支撐標(biāo)高與樓板標(biāo)高對應(yīng));④ 開挖至坑底后施工底板,澆筑側(cè)墻與地連墻形成疊合結(jié)構(gòu);⑤ 施工樓板與第3道支撐相連接;⑥ 施工頂板與第2道支撐相連接;⑦ 回填覆土;⑧ 拆除第1道支撐。通過永臨結(jié)合的施工方式可以省去側(cè)墻或只需增設(shè)較薄的側(cè)墻與地連墻疊合受力,不需要對支撐進(jìn)行拆除,既節(jié)約了工程造價,又簡化了施工工序,符合綠色建筑的發(fā)展趨勢。

圖1 永臨結(jié)合裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)型式示意圖

本方案立足于廣州地鐵新一輪線網(wǎng)建設(shè),可應(yīng)用于各種跨度、深度和大部分地層條件的地鐵車站。需要注意的是,由于車站主體兩端為盾構(gòu)端頭井及與風(fēng)亭開口段,結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜,這兩部分仍采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu),其余部分則采用裝配式結(jié)構(gòu)。在廣州市新一輪線網(wǎng)規(guī)劃的市內(nèi)地鐵車站、城際地鐵車站中,按照其橫向跨度主要可分為以下3種:標(biāo)準(zhǔn)跨度車站,橫向跨度約為10～11 m;單島四線越行車站,橫向跨度約為16～17 m;無柱車站或雙島四線車站,橫向跨度約為22～24 m,其中有柱車站的跨度考慮了結(jié)構(gòu)柱。各類型車站典型斷面示意圖如圖2所示。本方案采用標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件設(shè)計思路,各主要構(gòu)件采用了統(tǒng)一斷面尺寸、按特定模數(shù)增加長度、調(diào)整配筋等方法,以期用更低的設(shè)計成本實現(xiàn)對于不同類型車站的普遍適用性。

2 構(gòu)件連接型式及其拼裝模式

2.1 頂板、中板與地連墻連接型式

目前,各城市的裝配式地鐵車站頂板、中板與側(cè)墻的連接均采用剛性接頭(濕式連接或干式連接),對于在地面裝配式結(jié)構(gòu)常用的簡支結(jié)構(gòu)型式未見應(yīng)用。從施工角度來看,對于地連墻永臨結(jié)合方案,若頂板、中板與側(cè)墻之間采用固支方案,則地連墻施工階段需要預(yù)留大量的鋼筋接駁器或其他預(yù)埋件來進(jìn)行可靠連接,這不但增加了施工難度,而且在裝配過程中還易發(fā)生預(yù)留件錯位的問題,對裝配式施工的質(zhì)量和拼裝速度影響也較大,阻礙了裝配式施工的推廣。采用鉸支連接可有效避免該問題,減少施工難度并提升施工效率。各連接節(jié)點的構(gòu)造為:① 在頂板橫梁支點處,地連墻預(yù)留企口,頂板橫梁搭接在企口上并用鋼棒定位與固定;② 在中板橫梁支點處,地連墻預(yù)留鋼筋接駁器用以固定半預(yù)制腰梁,中板橫梁搭接于腰梁上并用鋼棒定位與固定;③ 根據(jù)柱網(wǎng)長度進(jìn)行分段,將縱梁兩端固定在鋼管柱上,縱梁之間利用端頭的鋼板和錨栓實現(xiàn)剛性連接;④ 通過縱梁預(yù)留的側(cè)向牛腿和鋼板,將橫梁固定在縱梁上。所有節(jié)點均已根據(jù)實際工程條件進(jìn)行驗算和加強設(shè)計。經(jīng)試算結(jié)果可知,相比于固支方案,鉸支連接方案中頂板和中板梁的最大內(nèi)力增大了約50%,其在控制撓度和裂縫方面也劣于固支方案,整體工程成本增加了約15%～25%。此外,增加橫梁高度會引起標(biāo)準(zhǔn)跨度車站每層凈高增大0.1～0.3 m。

采用時程分析法對采用鉸支連接方案的兩層無柱大跨車站進(jìn)行抗震分析,結(jié)果表明:在E2地震作用下,車站最大層間位移角為1.23‰(1/813),小于規(guī)范限值1.82‰(1/550),滿足抗震性能I級要求;在E3地震作用下,車站最大層間位移角為2.53‰(1/395),小于規(guī)范限值4.00‰(1/250),滿足抗震性能II級要求。

在滿足結(jié)構(gòu)安全性的前提下,采用鉸支連接方案需增加主要構(gòu)件尺寸和工程造價,但其裝配段工期預(yù)計可節(jié)省約30%,可大幅度改善重要節(jié)點的施工質(zhì)量。為解決裝配式施工難度和速度的問題,本方案的頂板、中板與地連墻和中縱梁的連接均采用鉸支連接。

2.2 頂板和中板拼裝模式

回筑階段時,在頂板橫梁和中板橫梁中間的空隙拼裝樓板預(yù)制構(gòu)件,其拼裝方式有3種(見圖3):密鋪同規(guī)格橫梁、密鋪橫向預(yù)制板、搭接縱向預(yù)制板。其中:密鋪同規(guī)格橫梁和密鋪橫向預(yù)制板的受力模式類似,后續(xù)密鋪的構(gòu)件將其承擔(dān)的荷載傳遞至側(cè)墻或縱梁上,不向兩側(cè)橫梁傳遞荷載;搭接縱向預(yù)制板方式中,預(yù)制板兩端搭接在兩側(cè)橫梁上,而板上荷載也傳遞至兩側(cè)橫梁,橫梁承擔(dān)了支撐間距范圍內(nèi)樓板的所有荷載,導(dǎo)致其內(nèi)力較大。

a) 密鋪同規(guī)格橫梁

頂板直接承擔(dān)了覆土的水土壓力,若將其支撐間距范圍內(nèi)的荷載全部傳遞至橫梁,則橫梁的尺寸和自重會顯著增大,故頂板采用密鋪同規(guī)格橫梁和密鋪橫向預(yù)制板的拼裝方式。對于中板而言,其承擔(dān)的荷載主要為板上人群荷載及設(shè)備荷載等,荷載總量相對較小,同時由于中板上孔洞較多,因此在橫向跨度較小時,宜采用搭接縱向預(yù)制板的拼裝模式,以更好地適應(yīng)樓板開孔的情況。

此外,為使拼裝后的樓板具有更平整的表面和更好的受力性能,預(yù)制構(gòu)件上均預(yù)留甩筋。待拼裝完成后,在預(yù)制構(gòu)件的頂部現(xiàn)澆一層鋼筋混凝土。

2.3 不同施工階段下的構(gòu)件受力分析

以地下兩層地鐵車站為例進(jìn)行計算,車站柱網(wǎng)縱向跨度為9 m,地連墻厚度為800 mm(兼做永久側(cè)墻)。基坑第1道支撐為臨時混凝土支撐,縱向間距為9.0 m,第2道和第3道支撐采用頂板和中板橫梁,縱向間距取為4.5 m。

車站橫梁、縱梁的受力階段分為基坑階段工況和使用階段工況。基坑階段工況主要為基坑開挖及回筑過程中,梁所受到的水土壓力、豎向施工荷載和混凝土澆筑荷載等,該階段主要以軸壓承載力和壓彎承載力評價梁的安全性。使用階段工況中的頂板梁主要考慮覆土荷載、地面超載和吊頂風(fēng)管荷載等,中板梁主要為裝修荷載、人群荷載和設(shè)備荷載,該階段以抗彎承載力和抗剪承載力評價梁的安全性。

經(jīng)核算,各梁的控制工況為使用工況,因而后續(xù)分析均以使用階段的抗彎承載力和抗剪承載力指標(biāo)作為構(gòu)件受力計算的控制因素。

3 橫縱梁梁型比選

3.1 各梁型特點分析

本文選取工程中常用的預(yù)制普通混凝土梁、預(yù)制型鋼混凝土梁、鋼-混組合梁、預(yù)應(yīng)力箱梁這4種梁類型(見圖4),分析其在不同橫向跨度下的特點和經(jīng)濟性。

a) 預(yù)制普通混凝土梁

預(yù)制普通混凝土梁是目前最常用的預(yù)制梁結(jié)構(gòu),具有工藝簡單成熟、適應(yīng)性強等優(yōu)點。由于內(nèi)插型鋼的作用,預(yù)制型鋼混凝土梁具有承載能力強、節(jié)點連接方便等特點。但這2種梁類型均存在尺寸、自重較大的缺點。鋼-混組合梁在支座處U型槽鋼內(nèi)填充混凝土,而跨中部分不填充,可充分利用混凝土材料的抗壓性能和型鋼的抗拉性能,具有自重較小的優(yōu)點,但其需考慮防火防腐要求,外露的型鋼需進(jìn)行表面處理。通過施加預(yù)應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力箱梁能顯著增強構(gòu)件的抗彎承載力,有效控制構(gòu)件撓度,具有很好的抗裂性能,但其張拉工藝相對復(fù)雜。各梁在頂部預(yù)留插筋,拼裝完成后在頂板、中板上統(tǒng)一澆筑現(xiàn)澆層。

3.2 各梁型經(jīng)濟性比選

在相同外力作用下,計算頂板橫梁、頂板縱梁、中板橫梁和中板縱梁在采用各梁型時的斷面尺寸、梁預(yù)制部分自重和梁的每延米造價,以此來比選各梁型的經(jīng)濟性。其中,梁的每延米造價由不同工藝的材料單價組成(材料單價參考了廣州地鐵11號線上涌公園站的實際造價和定額),并綜合考慮了預(yù)制工藝、構(gòu)件運輸、起吊設(shè)備和現(xiàn)場裝配的費用。

在3種典型裝配式車站跨度下(標(biāo)準(zhǔn)跨度車站橫向跨度為10.5 m、單島四線越行車站橫向跨度為17.0 m和無柱車站橫向跨度為24.0 m),當(dāng)頂板橫梁寬度為1.4 m時,各梁型的頂板橫梁每延米造價和預(yù)制部分自重如圖5所示。由圖5可知:當(dāng)橫向跨度小于14.0 m時,預(yù)制普通混凝土梁造價較低;隨著橫向跨度的增大,預(yù)應(yīng)力箱梁的造價優(yōu)勢逐漸增大;頂板橫梁自重曲線與每延米造價曲線規(guī)律類似。因此,在單島四線越行車站或無柱車站等橫向跨度大于14.0 m的裝配式車站中,建議頂板橫梁采用預(yù)應(yīng)力箱梁類型。頂板縱梁、中板橫梁、中板縱梁規(guī)律類似,此處不再贅述。不同橫向跨度下,各梁型的每延米造價和預(yù)制部分自重計算結(jié)果如表1和表2所示。

表1 不同橫向跨度下各梁型的每延米造價

表2 不同橫向跨度下各梁型的預(yù)制部分自重

圖5 不同跨度下各梁型的頂板橫梁每延米造價和預(yù)制部分自重

3.3 各梁型選型小結(jié)

綜合分析各梁型的特性和經(jīng)濟性,建議在小橫向跨度(橫向跨度小于14.0 m)裝配式車站中,頂板和中板橫縱梁均采用預(yù)制混凝土梁;在大跨度(橫向跨度大于20.0 m)裝配式車站中,各梁可采用預(yù)應(yīng)力箱梁,以控制梁的造價、自重和尺寸;在橫向跨度介于大跨度和小跨度之間的裝配式車站中,可綜合預(yù)制廠家的生產(chǎn)情況混合采用不同梁型,如對受力較大的頂板采用預(yù)應(yīng)力箱梁、受力較小的中板采用預(yù)制混凝土梁。此外,當(dāng)中板采用預(yù)制板搭接在橫梁上的拼裝模式時,在大跨度裝配式車站中,其橫梁的尺寸和造價都將有大幅度的增加,建議當(dāng)橫向跨度超過20.0 m時,采用密鋪橫向預(yù)制板或密鋪同規(guī)格橫梁的方式拼裝中板。小跨度和大跨度方案下的裝配式地鐵車站BIM(建筑信息模型)如圖6所示。

圖6 2種跨度方案下的裝配式地鐵車站BIM

4 結(jié)語

本文立足于廣州地鐵新一輪線網(wǎng)建設(shè),研究了永臨結(jié)合的裝配式車站方案,并對其構(gòu)件拼裝模式和梁型比選方面進(jìn)行了研究。主要獲得以下幾個結(jié)論:

1) 永臨結(jié)合方案通過將臨時圍護(hù)結(jié)構(gòu)的地連墻和支撐兼做永久使用的車站側(cè)墻和橫梁的方式,不但節(jié)省了施工工期,還避免了臨時構(gòu)件的浪費。

2) 采用鉸接模式連接頂板、中板與側(cè)墻,這對于施工速度及施工精確度有較大的提升,同時還能降低施工難度。通過加強連接節(jié)點和加大構(gòu)件尺寸可以滿足構(gòu)件的結(jié)構(gòu)安全要求,整體造價的增幅處于可接受范圍。

3) 對于頂板而言,由于其受力較大,適合采用密鋪同規(guī)格橫梁的拼裝模式;對于中板而言,可將預(yù)制板縱向搭接在橫梁上,以便于對樓板靈活開孔。對于大跨度的裝配式地鐵車站,中板梁內(nèi)力較大,也可采用密鋪橫向預(yù)制板或密鋪同規(guī)格橫梁的拼裝模式。

4) 對預(yù)制橫縱梁構(gòu)件采用不同梁型(預(yù)制普通混凝土梁、預(yù)制型鋼混凝土梁、鋼-混組合梁和預(yù)應(yīng)力箱梁)進(jìn)行了適用性分析和經(jīng)濟性比選。當(dāng)橫向跨度較小時,預(yù)制普通混凝土梁具有適應(yīng)性廣、工藝簡單的優(yōu)勢。隨著橫向跨度的增大,采用預(yù)應(yīng)力箱梁能有效控制構(gòu)件的造價、自重及尺寸。

5) 永臨結(jié)合方案在工程造價上的優(yōu)勢較為明顯,但在實際應(yīng)用中也存在一定的問題,如地連墻接縫防水及耐久性問題、支撐與樓板的空間協(xié)調(diào)性問題、開挖階段與永久使用階段的不同受力模式問題、裝配式構(gòu)件的拼裝模式和連接方式問題。對于上述幾個問題的研究及其解決方法是今后永臨結(jié)合裝配式地鐵車站研究及應(yīng)用的關(guān)鍵。