站臺(tái)板預(yù)制結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

翟 勇

(中鐵二十三局集團(tuán)有限公司 四川成都 610072)

1 引言

傳統(tǒng)建筑行業(yè)常采用現(xiàn)澆方式[1]進(jìn)行施工，存在材料及資源和能源消耗較大、建筑垃圾量大、施工環(huán)境差、現(xiàn)場(chǎng)粉塵污染大等問(wèn)題。

建筑工業(yè)化[2-3]是當(dāng)代建筑技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一，預(yù)制裝配式技術(shù)也是未來(lái)發(fā)展方向的必然趨勢(shì)，是加快施工速度、提高工程質(zhì)量、降低建設(shè)成本、改善作業(yè)環(huán)境的有效方法。

預(yù)制裝配式技術(shù)在地下工程領(lǐng)域主要集中應(yīng)用于隧道管片的生產(chǎn)施工。封坤[4]等對(duì)大直徑盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中管片拼裝的結(jié)構(gòu)力學(xué)特征展開研究；史英俊[5]對(duì)深圳地鐵盾構(gòu)管片預(yù)制生產(chǎn)方法、管片存放與運(yùn)輸及質(zhì)量檢測(cè)方法展開研究。受到工程地質(zhì)以及產(chǎn)業(yè)規(guī)模化等原因，裝配式施工技術(shù)在軌道交通地下車站應(yīng)用較少，目前國(guó)內(nèi)僅在長(zhǎng)春地鐵應(yīng)用了地鐵車站裝配式施工技術(shù)，有關(guān)學(xué)者也展開了相關(guān)研究。李兆平[6-7]等采用有限元和足尺加載試驗(yàn)方法對(duì)預(yù)制裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)榫槽式接頭的力學(xué)性能展開研究；陳久恒[8]對(duì)長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線袁家店車站裝配式施工方法展開研究，解決了拼裝形式、合理步序、構(gòu)件吊運(yùn)、定位糾偏及拼裝裝備研制等6項(xiàng)技術(shù)難題；鐘春玲[9]等結(jié)合國(guó)內(nèi)首個(gè)預(yù)制裝配式地鐵車站，建立有限元分析模型，討論了車站節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載作用條件下的力學(xué)特性和抗振性能。

地鐵車站一般都要作為盾構(gòu)區(qū)間工作始發(fā)或到達(dá)場(chǎng)地，因此，站臺(tái)板等二次結(jié)構(gòu)通常是在施工完成車站主體結(jié)構(gòu)后，兩端區(qū)間的施工不需要占用站臺(tái)結(jié)構(gòu)區(qū)域時(shí)，才能進(jìn)行施工。目前，站臺(tái)板采用現(xiàn)澆法施工，現(xiàn)場(chǎng)存在施工工序多、施工周期長(zhǎng)、資源投入多和作業(yè)環(huán)境差等問(wèn)題，直接影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量和施工工期，而預(yù)制裝配式施工技術(shù)可以有效解決地鐵車站站臺(tái)板現(xiàn)場(chǎng)施工難題。秦利珍[10]從質(zhì)量、工期、成本和安全文明施工等方面對(duì)地鐵車站二次結(jié)構(gòu)裝配式技術(shù)進(jìn)行了探討。

本文對(duì)站臺(tái)板預(yù)制裝配式技術(shù)展開研究，對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行加載試驗(yàn)以研究其力學(xué)性能，為站臺(tái)板在地鐵車站采用預(yù)制裝配式技術(shù)提供理論與技術(shù)支持。

2 裝配式站臺(tái)板試驗(yàn)方案

2.1 站臺(tái)板預(yù)制方案

從經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、質(zhì)量、工期和吊運(yùn)安裝便捷性等方面考慮，經(jīng)過(guò)多種混凝土材料對(duì)比，最終決定采用活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡(jiǎn)稱RPC)進(jìn)行構(gòu)件預(yù)制生產(chǎn)。

RPC混凝土[11-12]具有耐高溫、耐火、耐久、抗腐蝕等性能，并具有抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度高等特點(diǎn)。對(duì)新型RPC混凝土開展配合比的優(yōu)化、抗壓強(qiáng)度、抗折、抗彎、耐久性等一系列試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)性能滿足規(guī)范對(duì)站臺(tái)板結(jié)構(gòu)使用功能的需求。

以成都某地鐵車站為例，對(duì)站臺(tái)板結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行預(yù)制方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用現(xiàn)澆施工方法的站臺(tái)板設(shè)計(jì)形式如圖1所示。

圖1 現(xiàn)澆施工站臺(tái)板結(jié)構(gòu)形式

綜合考慮站臺(tái)板的功能性、預(yù)制和安裝的便捷性，對(duì)站臺(tái)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 預(yù)制拼裝施工站臺(tái)板結(jié)構(gòu)形式

站臺(tái)板預(yù)制結(jié)構(gòu)為π型梁柱和面板的組合形式，兩種構(gòu)件分別進(jìn)行預(yù)制。其中π型梁柱通過(guò)灌漿套筒與底板連接，面板通過(guò)搭接的方式與π型梁柱連接。三維模型如圖3所示。

圖3 站臺(tái)板三維拼裝模型

2.2 新型材料預(yù)制站臺(tái)板力學(xué)性能試驗(yàn)

為研究地鐵車站站臺(tái)板預(yù)制結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，探討是否滿足設(shè)計(jì)承載力要求，對(duì)預(yù)制構(gòu)件(站臺(tái)板面板和π型梁柱)進(jìn)行力學(xué)加載試驗(yàn)。對(duì)站臺(tái)板面板和π型梁柱各選取3個(gè)構(gòu)件進(jìn)行均布荷載加載破壞試驗(yàn)，并監(jiān)測(cè)其承載能力、變形情況及破壞模式。

利用靜力臥式加載裝置，即1臺(tái)最大推進(jìn)力為30T的千斤頂配合1臺(tái)DYB-LA型電動(dòng)油泵對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行加載；利用TST3826F動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀，通過(guò)粘貼在面板表面的應(yīng)變片，利用導(dǎo)線與測(cè)試儀相連，通過(guò)電腦進(jìn)行測(cè)量觀察與記錄，對(duì)構(gòu)件應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)；采用1臺(tái)DY3825E靜態(tài)位移測(cè)試系統(tǒng)，將測(cè)針安置于構(gòu)件跨中等設(shè)計(jì)點(diǎn)位處，用以對(duì)變形位移進(jìn)行量測(cè)。

(1)π型梁柱

π型梁柱加載方案如圖4所示。

通過(guò)在試件表面粘貼應(yīng)變片，利用TST3826F動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀分析系統(tǒng)，對(duì)構(gòu)件應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)靜態(tài)位移測(cè)試系統(tǒng)，將測(cè)針安置于構(gòu)件跨中等設(shè)計(jì)點(diǎn)位處，對(duì)試件變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。試件應(yīng)變和位移監(jiān)測(cè)布置如圖5所示。

圖4 π型梁柱加載方案

圖5 試件應(yīng)變和位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

荷載按照每次5 kN(0.5 t)的增量對(duì)試件進(jìn)行加載，加載完成后，讀取試件應(yīng)變、位移和裂縫數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后開始下一階段加載直至試件破壞。

(2)站臺(tái)板面板

通過(guò)靜態(tài)位移測(cè)試系統(tǒng)，將測(cè)針安置于設(shè)計(jì)點(diǎn)位處，對(duì)面板試件變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。站臺(tái)板面板加載如圖6所示，應(yīng)變和位移監(jiān)測(cè)布置方案如圖7所示。

圖6 站臺(tái)板面板加載

圖7 預(yù)制站臺(tái)板面板監(jiān)測(cè)布置方案

試驗(yàn)荷載按照每次5 kN(0.5 t)的增量對(duì)面板試件進(jìn)行加載，加載完成后，讀取試件應(yīng)變、位移和裂縫數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后開始下一階段加載直至面板試件破壞。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 π型梁柱試驗(yàn)結(jié)果

站臺(tái)板π型梁柱試件位移及應(yīng)變與荷載關(guān)系如圖8所示。

在荷載加載初期，站臺(tái)板π型梁柱試件表面沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，試件測(cè)點(diǎn)的位移和混凝土應(yīng)變隨荷載呈線性增加；當(dāng)加載至7.40 t時(shí)，試件中點(diǎn)右側(cè)30 cm位置出現(xiàn)1號(hào)裂縫并開裂貫穿下表面，隨后，隨著荷載的增加，裂縫逐漸擴(kuò)展和發(fā)展；當(dāng)加載至26.10 t時(shí)，1號(hào)裂縫寬度發(fā)展至3 mm，最終試件發(fā)生破壞。裂縫擴(kuò)展如圖9所示。

圖8 π型梁柱位移及應(yīng)力與荷載關(guān)系曲線

圖9 π型梁柱裂縫擴(kuò)展

π型梁柱構(gòu)件力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 π型梁柱力學(xué)指標(biāo)

進(jìn)行破壞試驗(yàn)時(shí)，裂縫均從試件底部出現(xiàn)，隨著荷載的增加，裂縫逐步擴(kuò)展。構(gòu)件發(fā)生破壞后，π型梁柱的兩翼和底柱均未發(fā)生破壞，因此建議π型梁柱應(yīng)在梁中部加強(qiáng)設(shè)計(jì)，降低側(cè)翼和底柱的設(shè)計(jì)厚度，保證整個(gè)試件的極限承載能力相同，以降低試件預(yù)制成本。

3.2 站臺(tái)板面板試驗(yàn)結(jié)果

(1)試件1

第1階段:試件表面無(wú)裂縫出現(xiàn)，試件測(cè)點(diǎn)位移和混凝土應(yīng)變隨荷載呈線性增加。

第2階段:當(dāng)加載至1.95 t時(shí)，試件跨中受拉區(qū)出現(xiàn)一條貫穿裂縫，隨后，隨著荷載的增加，裂縫逐漸擴(kuò)展和發(fā)展；當(dāng)加載至2.39 t時(shí)，裂縫擴(kuò)展至1.5 mm。

第3階段:當(dāng)加載至2.68 t時(shí)，試件跨中裂縫寬度2.5 mm，試件發(fā)生破壞。

(2)試件2

第1階段:試件表面無(wú)裂縫出現(xiàn)，試件測(cè)點(diǎn)位移和混凝土應(yīng)變隨荷載呈線性增加。

第2階段:當(dāng)加載至1.95 t時(shí)，試件跨中左側(cè)20 cm腹板位置開裂，隨后，隨著荷載的增加，裂縫逐漸擴(kuò)展和發(fā)展；當(dāng)荷載加至3.55 t時(shí)，跨中右側(cè)90 cm腹板位置表面裂縫貫通至翼緣底部。

第3階段:試件裂縫隨荷載的增加向受壓區(qū)擴(kuò)展，最終試件發(fā)生破壞，破壞荷載為3.98 t。

(3)試件3

第1階段:試件表面無(wú)裂縫出現(xiàn)，試件測(cè)點(diǎn)位移和混凝土應(yīng)變隨荷載呈線性增加。

第2階段:當(dāng)加載至1.81 t時(shí)，試件出現(xiàn)裂縫，隨后，隨著荷載的增加，裂縫逐漸擴(kuò)展和發(fā)展。

第3階段:試件跨中裂縫隨著荷載的增加向受壓區(qū)擴(kuò)展，最終試件發(fā)生破壞，破壞荷載為2.24 t。

站臺(tái)板面板加載試驗(yàn)具體的裂縫發(fā)展過(guò)程統(tǒng)計(jì)見表2，力學(xué)性能指標(biāo)見表3。

表2 面板試件裂縫發(fā)展過(guò)程統(tǒng)計(jì)

表3 站臺(tái)板面板力學(xué)指標(biāo)

進(jìn)行站臺(tái)板面板破壞試驗(yàn)時(shí)，裂縫均在試件跨中及其90 cm范圍內(nèi)受拉區(qū)出現(xiàn)，隨著荷載的增加，裂縫逐步擴(kuò)展，直至構(gòu)件發(fā)生破壞。因此建議站臺(tái)板面板中部加強(qiáng)設(shè)計(jì)，保證整個(gè)試件的極限承載能力相同，以降低試件預(yù)制成本。

4 結(jié)論

地鐵車站二次結(jié)構(gòu)采用預(yù)制裝配式施工方法具有縮短工期、提升施工質(zhì)量、降低施工成本和提高安全文明施工程度等優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)研究分析，主要結(jié)論如下:

(1)地鐵車站站臺(tái)板采用RPC高強(qiáng)混凝土，保證了產(chǎn)品的強(qiáng)度、耐久性、穩(wěn)定性，大大減小了產(chǎn)品重量，方便現(xiàn)場(chǎng)吊運(yùn)安裝。

(2)試驗(yàn)加載至7 t左右時(shí)，站臺(tái)板π形梁柱中間位置出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增加，裂縫逐漸擴(kuò)展和發(fā)展；當(dāng)加載至26 t左右時(shí)，裂縫貫穿，試件梁中部發(fā)生破壞。建議加強(qiáng)π型梁柱中部設(shè)計(jì)，降低側(cè)翼和底柱的設(shè)計(jì)厚度，保證整個(gè)試件的極限承載能力相同，降低試件預(yù)制成本。

(3)站臺(tái)板面板在荷載加至1.95 t左右時(shí)，跨中及其90 cm范圍內(nèi)受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增加，裂縫逐步擴(kuò)展；荷載加至5 t左右時(shí)，跨中裂縫位置開始破壞。建議加強(qiáng)站臺(tái)板面板中部受拉區(qū)設(shè)計(jì)，盡量使整個(gè)面板極限承載力相同。

本文僅對(duì)裝配式站臺(tái)板的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行了探討，并提出了優(yōu)化方案，下一步將對(duì)裝配式站臺(tái)板的拼裝工藝、成本、施工進(jìn)度和產(chǎn)品質(zhì)量等進(jìn)行綜合研究，為裝配式站臺(tái)板在城市地鐵車站的推廣提供可借鑒參考的技術(shù)資料。