地鐵車站預(yù)制拱形頂板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)

金 晶 賈吉敏 黃衛(wèi)東

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200070

1 工程介紹

拱結(jié)構(gòu)是建筑工程中常用的結(jié)構(gòu)之一，是一種主要承受軸向壓力并由兩端推力維持平衡的曲線或折線構(gòu)件。拱結(jié)構(gòu)的跨越能力強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)大跨結(jié)構(gòu)；在結(jié)構(gòu)受力方面，拱結(jié)構(gòu)以承受軸力為主，受力合理，適用于常用建筑材料的施工；在地鐵車站建設(shè)方面，拱結(jié)構(gòu)美觀大方，能為乘客提供舒適的候車空間。因此，上海軌交15號(hào)線吳中路站站廳層采用無柱大跨度拱形頂板結(jié)構(gòu)。為提高施工效率、優(yōu)化觀感效果，頂板施工采用預(yù)制＋現(xiàn)澆疊合的頂板施工技術(shù)。所謂預(yù)制＋現(xiàn)澆疊合的頂板，即底層采用預(yù)制雙肋拱形頂板拼裝技術(shù)[1-3]，快速形成拱形結(jié)構(gòu)，與車站中板、地下連續(xù)墻共同建立受力體系。上層再進(jìn)行鋼筋綁扎以及現(xiàn)澆混凝土施工，實(shí)現(xiàn)車站頂板強(qiáng)度與防水要求。車站頂板平面布置呈一端大一端小、南高北低的變截面結(jié)構(gòu)，北端內(nèi)凈尺寸19 280 mm，南端內(nèi)凈尺寸為21 580 mm，總長93 600 mm。為使預(yù)制拱形頂板規(guī)格統(tǒng)一且方便運(yùn)輸及現(xiàn)場拼裝，將原拱頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)將預(yù)制層拱形頂板分割為30跨，每跨又分割成完全對(duì)稱的東西2個(gè)半跨，共60塊預(yù)制拱板。為保證施工效率以及施工質(zhì)量，該工藝對(duì)預(yù)制雙肋拱形頂板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝提出了非常高的要求。本文以此工程為例，對(duì)預(yù)制拱形頂板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)技術(shù)展開研究和探討。

2 預(yù)制拱形頂板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三鉸拱是拱結(jié)構(gòu)的一種，屬于靜定結(jié)構(gòu)，以預(yù)制的三鉸拱結(jié)構(gòu)作為二次澆筑混凝土的底模，可減小預(yù)制構(gòu)件的長度和質(zhì)量，方便運(yùn)輸及現(xiàn)場吊裝；拼裝完成的三鉸拱結(jié)構(gòu)受力合理，在無跨中支撐的條件下，能有效承載現(xiàn)場二次澆搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載，在拱殼結(jié)構(gòu)施工中具有先進(jìn)性。預(yù)制拱板構(gòu)成的三鉸拱結(jié)構(gòu)三維如圖1所示。

圖1 預(yù)制三鉸拱結(jié)構(gòu)三維

3 預(yù)制雙肋拱形頂板的鋼模設(shè)計(jì)與加工

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，吳中路站預(yù)制拱形頂?shù)酌嬉筮_(dá)到清水混凝土觀感效果，且對(duì)預(yù)制拱形頂板制作精度要求非常高。因此決定采用大鋼模作為預(yù)制頂板的制作模具。預(yù)制拱形頂板長9 710 mm、高1 385 mm、寬2 950 mm，質(zhì)量約16.7 t。頂板下表面圓弧半徑14 100 mm。整套鋼模由大底模、底板側(cè)模、端模、肋梁側(cè)模以及定位架組成，鋼模外形如圖2所示。

圖2 預(yù)制拱形頂板大鋼模外形

其中，大底模側(cè)板采用激光切割的方法制作該鋼模的弧度定型板，以保證拱形頂板弧度精度。同時(shí)，在拱頂和拱腳處設(shè)置垂直于法向的90°缺口與端模無縫拼裝，從而保證預(yù)制拱形頂板端部預(yù)埋鋼板和拱座上的預(yù)埋鋼板平行，以便拼裝時(shí)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)處理，并保證結(jié)構(gòu)受力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。定位架由螺栓固定的大底模上，肋梁側(cè)模固定在定位架上，肋梁側(cè)模端部利用定位銷與端模固定。此外，為保證預(yù)制拱形頂板現(xiàn)場拼裝完成后2個(gè)單元的桁架鋼筋能夠順利對(duì)接，在底板側(cè)模上開設(shè)了桁架鋼筋定位槽口。在端模上預(yù)留了螺紋孔，以保證預(yù)制拱板預(yù)埋鋼板的安裝姿態(tài)。本預(yù)制拱形頂板與上部現(xiàn)澆混凝土層在永久結(jié)構(gòu)中為協(xié)同受力結(jié)構(gòu)，因此施工時(shí)要盡量使兩者緊密貼合，融為一體。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，對(duì)肋梁側(cè)模內(nèi)表面進(jìn)行了特殊處理，使脫模完成后預(yù)制拱板的肋梁兩側(cè)形成毛糙表面，同時(shí)在生產(chǎn)過程中對(duì)預(yù)制拱板的上表面也進(jìn)行了拉毛處理。大鋼模使用時(shí)先固定底模、端模以及底板側(cè)模，然后進(jìn)行鋼筋綁扎以及預(yù)埋件安裝。完成后安裝肋梁側(cè)模以及定位架。

4 預(yù)制雙肋拱形頂板的鋼筋工程

本次吳中路站預(yù)制拱形頂板采用預(yù)制雙肋混凝土拱殼（以下簡稱預(yù)制拱殼），既能減輕構(gòu)件質(zhì)量、方便施工，還能提高構(gòu)件的抗彎剛度，滿足吊裝和運(yùn)輸要求。該預(yù)制拱殼的鋼筋主要由跨向鋼筋、鋼筋桁架、肋梁箍筋、外露箍筋、剪刀撐鋼筋以及鋼筋網(wǎng)片組成。預(yù)制拱形頂板配筋如圖3所示。

圖3 預(yù)制拱形頂板配筋

由于桁架鋼筋分布密、數(shù)量多，且決定了預(yù)制拱板縱向抗彎的能力，故采取鋼筋網(wǎng)片提前焊接成形再插入大鋼模的方法。預(yù)先對(duì)鋼筋網(wǎng)片的焊接質(zhì)量進(jìn)行單項(xiàng)嚴(yán)格查驗(yàn)，保證了厚100 mm懸挑板的抗彎性能。同樣，為保證質(zhì)量和提高制作效率，肋梁主筋及箍筋也采用獨(dú)立綁扎再整體吊入鋼模的制作方法。

疊合拱殼結(jié)構(gòu)由不同齡期的混凝土結(jié)構(gòu)組成，上述2種混凝土結(jié)構(gòu)在養(yǎng)護(hù)時(shí)期以及長期共同作用中的收縮和徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的性能有較大的影響。為驗(yàn)證疊合拱殼的安全性，并監(jiān)測車站疊合頂板在長期使用過程中產(chǎn)生的受力和變形，在足尺試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用的預(yù)制拱形頂板鋼筋上分別安裝了應(yīng)變片和應(yīng)力計(jì)作為監(jiān)測裝置。

5 預(yù)制雙肋拱形頂板的混凝土澆筑

鋼筋工程完工后，就可以安裝肋梁側(cè)模和定位架，并利用定位架側(cè)面的支撐螺桿將肋梁側(cè)模進(jìn)行固定。該預(yù)制拱形頂板在施工階段需要承受上部厚900 mm現(xiàn)澆混凝土層的荷載，且預(yù)制拱形頂板本身混凝土厚度僅100 mm，因此本次預(yù)制拱形頂板所使用的混凝土為C40高強(qiáng)混凝土。由于內(nèi)部鋼筋，特別是端頭處的鋼筋非常密集，為保證混凝土密實(shí)度，根據(jù)足尺試驗(yàn)的結(jié)果及時(shí)調(diào)整了粗骨料的配比，替換了直徑較小的粗骨料，以保證拱頂與拱腳處的混凝土密實(shí)度，使其抗壓性能足以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

雙肋拱形頂板的澆筑分為兩部分進(jìn)行。首先澆筑厚100 mm的拱形底板，再安裝肋梁側(cè)模，對(duì)雙肋部分進(jìn)行澆筑，并在澆筑過程中使用振搗器，以30 cm的間距進(jìn)行振搗。

6 預(yù)制雙肋拱形頂板的養(yǎng)護(hù)

本工程預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)時(shí)間恰逢冬季，為提高大鋼模的周轉(zhuǎn)利用率，需要在短時(shí)間內(nèi)使混凝土達(dá)到較高強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)快速脫模。因此，本次預(yù)制拱形頂板在澆筑完畢后，采用了18 h蒸汽快速養(yǎng)護(hù)的方法。首先用篷布將構(gòu)件及鋼模緊密遮蓋，形成密閉空間，使構(gòu)件表面保持濕潤，進(jìn)行2 h預(yù)養(yǎng)；然后將蒸汽管道引入篷布，最后啟動(dòng)蒸汽發(fā)生器，將蒸汽充入篷布。蒸汽養(yǎng)護(hù)過程中嚴(yán)格控制升降溫速率及最高溫度，停止供汽后控制篷布內(nèi)外溫差小于20 K時(shí)進(jìn)行脫罩作業(yè)。

將預(yù)制拱板通過蒸養(yǎng)達(dá)到一定強(qiáng)度后脫出模具，剝出肋梁兩側(cè)的外露鋼筋，對(duì)預(yù)埋件和預(yù)留孔洞進(jìn)行清理后，將構(gòu)件移至堆場特制的支架上再進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)。

由于預(yù)制雙肋拱形頂板混凝土底板厚僅100 mm，在脫模和養(yǎng)護(hù)的過程中只能俯臥放置，且兩端不可著地，因此需要為每塊預(yù)制構(gòu)件制作一套支架。經(jīng)建模計(jì)算，采用四點(diǎn)支撐的方式，將縱向支點(diǎn)設(shè)在高600 mm的肋梁下方，跨向支點(diǎn)設(shè)置在跨向反彎點(diǎn)處，從而最大限度地保護(hù)預(yù)制拱板，避免其在脫模和運(yùn)輸?shù)倪^程中出現(xiàn)損壞。同時(shí)，在拱板底面與支架橫梁間墊軟布團(tuán)對(duì)混凝土表面進(jìn)行保護(hù)。

7 預(yù)制雙肋拱形頂板的運(yùn)輸

預(yù)制拱形頂板采用20 t的載重平板車進(jìn)行運(yùn)輸，運(yùn)輸時(shí)預(yù)制拱板采用四點(diǎn)支撐，與自然養(yǎng)護(hù)及拼裝作業(yè)時(shí)受力狀態(tài)相同，如圖4所示。預(yù)制拱板運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場后，利用150 t履帶吊將預(yù)制拱板吊放到現(xiàn)場準(zhǔn)備的支架上，再由現(xiàn)場的吊車以及拼運(yùn)設(shè)備進(jìn)行吊裝及拼運(yùn)作業(yè)，頂板拼裝完成后的效果如圖5所示。

圖4 預(yù)制拱形頂板運(yùn)輸狀態(tài)

圖5 預(yù)制拱形頂板拼裝完成后效果

8 結(jié)語

本文以具體工程為例，分析了預(yù)制雙肋拱形頂板的設(shè)計(jì)和施工情況。經(jīng)實(shí)施，上海軌交15號(hào)線吳中路車站拱形頂板工程取得了良好的施工效果，贏得業(yè)界的一致肯定。裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是我國建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要方向之一，它有利于我國建筑工業(yè)化的發(fā)展，能提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源，并有利于提高和保證建筑工程質(zhì)量。

針對(duì)吳中路站預(yù)制＋現(xiàn)澆拱形頂板的最終設(shè)計(jì)要求，在預(yù)制拱板的設(shè)計(jì)初期就聯(lián)合預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠家共同對(duì)施工工藝進(jìn)行科學(xué)細(xì)致的設(shè)計(jì)，盡可能將難度較大的施工環(huán)節(jié)從施工現(xiàn)場轉(zhuǎn)移到工廠車間，為現(xiàn)場施工爭取了寶貴的時(shí)間、空間，并提高了施工精度。實(shí)踐證明，預(yù)制雙肋拱形頂板的工廠制作精度高，鋼模底板使構(gòu)件底面光滑平整，拼裝效率高，受力合理。該工藝不僅符合裝配式建筑的發(fā)展導(dǎo)向，減少現(xiàn)場支模的危險(xiǎn)繁重工作，還大大提高了車站拱形頂板的觀感效果，具有良好的推廣價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。