建橋結合裝配式高架車站關鍵技術研究

黃長木

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

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

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

基于以上原因，擬結合某建橋結合高架車站工程對城市高架車站預制裝配化設計關鍵技術進行研究，對實現城市高架車站的快捷施工，減少施工對現狀交通的影響，縮短施工工期，具有迫切的現實意義。

1 項目概況

工程項目為雙柱帶長懸臂“建橋結合”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；站臺層上覆蓋鋼結構雨棚，雨棚屋面檐口高度為24.400 m，車站標準橫斷面見圖1。主體結構設計使用年限100 a，抗震設防烈度為7度?；A采用鉆孔灌注樁+現澆混凝土承臺的基礎形式。上部結構擬按預制裝配整體式結構設計，包括預制立柱、預制蓋梁、預制框架柱、預制框架疊合梁、預制鋼筋桁架疊合板、預制樓梯等。裝配整體式混凝土結構等同于現澆結構，采用與現澆混凝土結構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 結構體系及拆分

車站站廳層以下為橋式雙立柱蓋梁結構體系，站廳層以上為建式框架結構體系?？蚣芙Y構體系采用常規(guī)拆分法將梁、柱拆分成一維構件，每根預制柱的長度為1層，連接套筒預埋在柱底；梁按照柱距的1個跨度為單位預制，梁主筋連接部位設置在節(jié)點核心區(qū)（見圖2）。建式框架結構在民用建筑中已廣泛采用預制裝配式技術，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構，由雙柱帶懸臂蓋梁支承上部結構。近年來上海地區(qū)的一些橋梁工程已將預制裝配技術運用于蓋梁、立柱建設中且投入運營，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，主要體現在以下幾個方面：

（1）高架車站結構涉及到鐵路橋梁和建筑結構2個行業(yè)的設計理論和規(guī)范，立柱蓋梁體系應同時滿足鐵路橋梁和建筑結構規(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向框架梁及上部結構與蓋梁剛接，而且還包括樓板作用，結構空間作用強，受力復雜。

由此可見高架車站立柱蓋梁結構比高架橋梁更為復雜，立柱和蓋梁承上啟下是制約高架車站工期的關鍵構件，因此立柱和蓋梁的預制裝配技術及相關連接節(jié)點的研究對于實現高架車站工業(yè)化、提高工程質量、縮短施工工期具有重要意義。

3 預制立柱

國內外研究人員對預制裝配立柱連接構造提出很多類型，主要可歸結為：采用有粘結后張預應力筋鋼絞線、灌漿套筒連接、金屬波紋管連接、插槽式、承插式、濕接縫等構造來實現預制立柱之間、預制立柱與蓋梁和預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，充分體現出了裝配式結構的特點，應用最為廣泛。在規(guī)范層面上，《預制拼裝橋墩技術規(guī)程》（DG/TJ 08-2160-2015）、《裝配式混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ 1-2014）等一系列相關規(guī)范標準的發(fā)布，保證了這兩種連接方式在設計上的有據可依。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澆混凝土立柱相比，具有相近的抗震性能，可滿足預期的抗震性能要求。

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），并采用現有規(guī)范中的計算方法來完成預制立柱的計算和設計。

圖3 立柱與蓋梁及承臺連接

根據上海市建設標準《預制拼裝橋墩技術規(guī)程》DG/TJ 08-2160-2015，預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為接縫上的壓應力，MPa；Asm為破壞面上的摩擦接觸面積，mm2。

根據行業(yè)標準《裝配式混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ 1—2014），在抗震設計狀態(tài)下，當預制柱受壓時，柱底水平接縫的受剪承載力設計值應按下式計算：

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

預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 預制蓋梁

蓋梁主要作用是支承高架車站上部框架結構，并將全部荷載傳遞給立柱再通過立柱傳遞到基礎。高架車站蓋梁受力復雜，具有結構轉換功能，是結構設計的關鍵構件，預制蓋梁拼裝拆分應主要考慮以下幾個方面的問題：結構受力合理；控制單個預制構件質量在200 t以內，可采用兩臺汽車吊進行現場吊裝；吊裝施工應考慮對地面交通的影響。

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

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

圖4 蓋梁預制方案一

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

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

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

圖5 蓋梁預制方案二

圖6 蓋梁預制方案三

圖7 蓋梁預制方案四

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)內連接兩種方式（見圖8）。

上述四種蓋梁預制方案比較見表1。

通過蓋梁預制方案的綜合對比，可以看出，整體預制方案一從結構受力性能、對交通影響角度而言是最優(yōu)方案，但受制于預制、運輸、吊裝等因素，整體預制方案適用于預制構件體量較小的情況。當預制蓋梁體量較大時，可采用上下分層建造或者豎向分段預制拼裝建造。方案二或方案三受力性能好，運輸吊裝要求低，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換構件，結構受力復雜，結構性能要求高，如采用必須對連接接縫及構件性能做專門研究。實際工程可以根據不同的情況采用相應的預制方案。

圖8 縱梁連接方式示意圖

表1 蓋梁預制方案對比

5 關鍵連接節(jié)點

高架車站立柱蓋梁體系區(qū)別于高架橋梁主要體現在縱向框架梁與蓋梁的剛性連接，如何實現該節(jié)點連接成為建橋結合高架車站預制裝配化的關鍵性技術問題。通過研究國內外成熟的預制裝配框架技術以及已建工程的工程實踐，在相關規(guī)范和文獻的基礎上結合本工程具體情況，對既有連接方式進行了改進及創(chuàng)新設計，提出預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，直錨長度應滿足不小于0.6laE的要求?？v梁后澆疊合層上部鋼筋現場放置且應貫穿后澆核心區(qū)，縱梁端設置抗剪鍵槽。

圖9 節(jié)點1—核心區(qū)內錨固連接

（2）立柱蓋梁節(jié)點核心區(qū)外縱向框架梁端設置后澆段，縱梁下部鋼筋及抗扭鋼筋在后澆段內采用擠壓套筒連接（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，梁端及蓋梁側面應設置抗剪鍵槽。

圖10 節(jié)點2—核心區(qū)外后澆梁段內連接

（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埋鋼板與牛腿頂預埋鋼板焊接連接，抗扭鋼筋在后澆段內采用單面焊接接頭，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，梁端及蓋梁側面設置抗剪鍵槽，梁端箍筋加密范圍應從牛腿外邊緣算起。

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主要用于蓋梁預制方案二中，要求節(jié)點核心區(qū)預留后澆區(qū)，節(jié)點構造簡單，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，適用于蓋梁的全預制方案。通過合理的設計節(jié)點3可實現縱向框架梁無臨時支撐施工。

預制拼裝蓋梁采用豎向分段預制拼裝建造時，預制構件的拼接面應采用剪力鍵槽方式，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，上部鋼筋現場放置，見圖12。

圖12 預制蓋梁拼裝連接節(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為預制構件混凝土軸心抗壓強度設計值；fy為垂直穿過結合面鋼筋抗拉強度設計值；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為垂直穿過結合面所有鋼筋的面積，包括疊合層內的縱向鋼筋。

6 結語

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