預(yù)制裝配式UHPC站臺板結(jié)構(gòu)技術(shù)研究

喻 波, 王呼佳, 高 鯤, 鄒 育

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

0 引言

近年來國內(nèi)學(xué)者[1-3]對裝配式地下車站展開了大量的研究，相關(guān)研究成果已得到了應(yīng)用。目前，國內(nèi)已建和在建的裝配式地鐵車站超過40個，裝配形式分疊合裝配式和全預(yù)制裝配式2種，主要應(yīng)用在長春、青島、深圳等城市[4]。根據(jù)已通車的裝配式車站可知，裝配式車站分塊尺寸大、質(zhì)量大，對運(yùn)輸路線、施工場地和施工設(shè)備要求高，且造價較高。相對于整體裝配式車站，裝配式車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸更小，對施工設(shè)備要求更低，且不受周邊環(huán)境和工程地質(zhì)的影響，更容易推廣應(yīng)用。

車站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要分為站臺板、軌頂風(fēng)道、樓梯和隔墻等，一般在車站主體結(jié)構(gòu)封頂后實施。地鐵車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本都是采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，施工過程中存在工期緊張、工序繁多、工程質(zhì)量難以保證的問題。為此，裝配式車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)的需求非常迫切。

裝配式內(nèi)部結(jié)構(gòu)在房屋建筑[5-7]和大直徑盾構(gòu)隧道[8-9]中已廣泛應(yīng)用，而在地鐵車站中還處于初步發(fā)展階段。一些學(xué)者對地鐵車站裝配式內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行過研究，如：路清泉等[10]論證了明挖和暗挖法車站的裝配式站臺板方案，提出了裝配式站臺板拆分設(shè)計和連接接頭思路；蘇立勇等[11]提出了軌頂風(fēng)道的整體預(yù)制方案和后裝方案；張明海等[12]將地下車站預(yù)制樓梯應(yīng)用于上海地鐵車站，但預(yù)制構(gòu)件主要采用混凝土材料。常規(guī)混凝土預(yù)制構(gòu)件的尺寸和質(zhì)量相對較大，受限于車站內(nèi)施工空間，預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸和拼裝難度較大，施工工期較現(xiàn)澆混凝土沒有較大的改善，拼裝精度也不高。

本文以廣州地鐵14號線2期某在建標(biāo)準(zhǔn)車站為工程依托，對預(yù)制站臺板的設(shè)計和施工方案進(jìn)行研究，提出一種質(zhì)量輕小、施工便利、拼裝工期短的預(yù)制裝配式UHPC站臺板設(shè)計技術(shù)，并對設(shè)計方案進(jìn)行數(shù)值模擬計算和現(xiàn)場拼裝試驗。

1 工程概況

廣州地鐵14號線2期某在建標(biāo)準(zhǔn)車站公共區(qū)長120 m，有效站臺寬12 m，車站主體采用明挖法施工。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為100年，永久構(gòu)件的安全等級為一級，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)取1.1。按荷載基本組合和準(zhǔn)永久組合進(jìn)行計算，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如下：裂縫寬度小于0.3 mm，站臺板撓度小于L0/250(L0為站臺板的凈跨)，柱的位移角小于1/550。站臺板除了考慮常規(guī)的豎向荷載，還需考慮軌行區(qū)風(fēng)壓和乘客擠壓產(chǎn)生的水平荷載，以及電纜支架對π柱產(chǎn)生的偏載(單個π柱按4個電纜支架考慮)?？紤]站臺板人群和設(shè)備豎向活荷載分布的不確定性，設(shè)計時統(tǒng)一按較大值8 kN/m2考慮。站臺板結(jié)構(gòu)荷載匯總?cè)绫?所示。

表1 站臺板結(jié)構(gòu)荷載匯總表

采用現(xiàn)澆混凝土站臺板方案時，站臺板厚200 mm，由3排柱子和2排墻體支撐，柱間距為3.5 m，尺寸為300 mm×300 mm，墻體厚度為200 mm。標(biāo)準(zhǔn)段現(xiàn)澆混凝土站臺板剖面如圖1所示。由于本站工期緊張，現(xiàn)澆混凝土站臺板方案難以滿足要求，為此，需要采用一種工期短、質(zhì)量有保證的預(yù)制裝配式站臺板的方案。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段現(xiàn)澆混凝土站臺板剖面圖(單位：mm)

2 設(shè)計方案

2.1 材料選擇

預(yù)制裝配式站臺板結(jié)構(gòu)材料采用UHPC(超高性能混凝土)，UHPC是一種以高強(qiáng)度水泥和超細(xì)摻合料為膠凝體系的材料。相較于傳統(tǒng)混凝土，UHPC抗壓、抗折性能更好,具有防滲透能力強(qiáng)、可塑性強(qiáng)、耐久性高等優(yōu)點(diǎn)[13]，適用于制備輕薄構(gòu)件。目前，在橋梁預(yù)制拼裝領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

在進(jìn)行原材料配比試驗后，選取UHPC材料的配比參數(shù)如下：水膠質(zhì)量比為0.16，砂膠質(zhì)量比為1.2，膠材組成為75%水泥+15%硅灰+10%礦渣，鋼纖維的體積摻量為1.5%。通過標(biāo)準(zhǔn)試件力學(xué)性能測試后，得出相應(yīng)配比的UHPC抗壓強(qiáng)度為128.4 MPa，抗折強(qiáng)度為27.1 MPa，彈性模量為43.62 GPa。

2.2 預(yù)制站臺板方案

2.2.1 預(yù)制站臺板分塊設(shè)計

預(yù)制站臺板結(jié)構(gòu)由預(yù)制站臺板和預(yù)制π型支墩組成。車站縱向按每3 m組成1個標(biāo)準(zhǔn)單元預(yù)制站臺板考慮，每個標(biāo)準(zhǔn)單元由5個π型支墩和8塊站臺板構(gòu)成，其橫向總寬度為12 m。標(biāo)準(zhǔn)單元預(yù)制站臺板平面布置如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)段預(yù)制站臺板A-A剖面如圖3所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)單元預(yù)制站臺板平面布置圖(單位：mm)

圖3 標(biāo)準(zhǔn)段預(yù)制站臺板A-A剖面圖(單位：mm)

π型支墩長2.99 m，寬0.3 m，由2根柱和1根橫梁組成的π型整體構(gòu)件。單個π型支墩質(zhì)量約0.77 t，其中，π柱尺寸為150 mm×300 mm，π橫梁尺寸為300 mm×220 mm。

單塊站臺板橫向跨度為2.99 m，縱向長1.49 m，板厚80 mm；每塊站臺板有3個肋梁，中肋梁寬300 mm，兩側(cè)肋梁寬100 mm，肋梁高都為150 mm，單塊站臺板總質(zhì)量約1.11 t。

臨軌行區(qū)的π柱上預(yù)留了電纜支架安裝吊點(diǎn)，并在立柱對側(cè)增加了分隔板。分隔板與π型支墩在工廠一體預(yù)制，拼裝完后將站臺板與左右線軌行區(qū)隔斷，避免串風(fēng)。

標(biāo)準(zhǔn)單元預(yù)制站臺板沿車站縱向方向的單延米質(zhì)量約4.3 t，而常規(guī)預(yù)制鋼筋混凝土站臺板和板下墻結(jié)構(gòu)厚度一般為200 mm，單延米質(zhì)量約8.8 t，UHPC預(yù)制站臺板質(zhì)量相當(dāng)于預(yù)制混凝土站臺板質(zhì)量的1/2。

2.2.2 接頭連接設(shè)計

UHPC預(yù)制站臺板連接形式簡單，接頭較少，只有π型支墩柱腳與底板及π型支墩橫梁與站臺板存在連接接頭。

2.2.2.1 π型支墩柱腳與底板連接

π型支墩柱腳與底板結(jié)構(gòu)采用剛性連接，π柱與底板連接節(jié)點(diǎn)如圖4所示。通過在底板上預(yù)埋或植入鋼筋，再用橫向鋼筋穿過π柱預(yù)留的孔洞，最后通過現(xiàn)澆混凝土塊將π柱固定在底板上，其中π柱與底板預(yù)留100 mm的施工誤差，避免了因底板的不平整而影響后續(xù)π柱的安裝。

(a)連接節(jié)點(diǎn)平面

2.2.2.2 π型支墩橫梁與站臺板連接

π型支墩橫梁與站臺板采用柔性連接(見圖3)，站臺板肋梁與π橫梁凹槽實現(xiàn)縱向卡扣連接，再通過M16螺栓將站臺板中肋梁與π橫梁預(yù)留套筒相連，實現(xiàn)站臺板與π橫梁的固定。

由于站臺板邊緣還需預(yù)留屏蔽門安裝空間，為了將站臺板做成標(biāo)準(zhǔn)件，同時提高站臺板結(jié)構(gòu)的整體性，待預(yù)制站臺板拼裝完后，在除屏蔽門的安裝位置再澆筑1層約50 mm的現(xiàn)澆混凝土，內(nèi)鋪單層鋼筋網(wǎng)片。

2.2.3 車站站臺板布置

車站公共區(qū)站臺板除局部扶梯底坑周邊和受力較大的大跨度T字形樓梯段采用現(xiàn)澆方案，其余段采用預(yù)制方案。某標(biāo)準(zhǔn)車站裝配式站臺板布置如圖5所示。本站公共區(qū)站臺板總面積為1 440 m2,采用預(yù)制裝配式UHPC站臺板面積約1 130 m2，站臺板預(yù)制率約78%,其中，預(yù)制π型支墩共174個,預(yù)制站臺板共251塊。

圖5 某標(biāo)準(zhǔn)車站裝配式站臺板布置圖

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

采用Midas FEA/NX對預(yù)制裝配式UHPC站臺板結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。預(yù)制站臺板標(biāo)準(zhǔn)斷面為對稱結(jié)構(gòu)，為了提高計算效率，建立半個標(biāo)準(zhǔn)單元預(yù)制站臺板模型。預(yù)制站臺板有限元模型如圖6所示。

圖6 預(yù)制站臺板有限元模型

3.1.1 邊界條件

站臺板、π型支墩、連接螺栓三者之間采用“一般接觸”模擬，考慮三者之間的碰撞和碰撞摩擦；π型支墩與底板的連接通過限定柱腳的平面位移和轉(zhuǎn)角來考慮。

3.1.2 模型參數(shù)

預(yù)制站臺板結(jié)構(gòu)采用塑性損傷模型，材料參數(shù)取文獻(xiàn)[14]和本試驗材料中的較小值，即材料抗壓強(qiáng)度取123 MPa，抗拉強(qiáng)度取10.55 MPa，密度取2 400 kg/m3，初始彈性模量取39.8 GPa，泊松比取0.2。

塑性參數(shù)中，剪脹角取30°，流動勢偏移量取0.1，雙軸受壓與單軸受壓極限強(qiáng)度比取1.16，不變量應(yīng)力比取0.667，黏滯系數(shù)取0.000 5。

3.1.3 工況設(shè)置

鑒于站臺板存在懸臂端和豎向活荷載的不確定性，除考慮常規(guī)的恒荷載和單邊水平活荷載外，模型再選取3種工況進(jìn)行分析。工況1：懸臂端豎向活荷載。工況2：單邊豎向活荷載(只加載站臺板1—2或站臺板3—4)。工況3：全豎向活荷載。

3.2 數(shù)值結(jié)果分析

3.2.1 應(yīng)力分析

工況1結(jié)構(gòu)的mise應(yīng)力云圖如圖7所示。工況2結(jié)構(gòu)的mise應(yīng)力云圖如圖8所示。工況3結(jié)構(gòu)的mise應(yīng)力云圖如圖9所示。由圖7—9可以看出：1)站臺板應(yīng)力較大值主要出現(xiàn)在邊跨懸臂端支座和中跨站臺板跨中；π橫梁應(yīng)力較大值主要出現(xiàn)在π柱上方與站臺板連接的凹槽處，π柱應(yīng)力較大值主要出現(xiàn)在柱腳。2)3種工況下，結(jié)構(gòu)最大mise應(yīng)力分別為18.7、15.2、14.9 MPa，其中在懸臂端活荷載工況下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力最大，但由于應(yīng)力值均在19 MPa以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料抗壓強(qiáng)度(123 MPa)，可忽略壓應(yīng)力的影響，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力分布。

圖7 工況1結(jié)構(gòu)的mise應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖8 工況2結(jié)構(gòu)的mise應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖9 工況3結(jié)構(gòu)的mise應(yīng)力云圖(單位：MPa)

工況1站臺板的最大應(yīng)力云圖如圖10所示。工況2站臺板的最大應(yīng)力云圖如圖11所示。工況3站臺板最大應(yīng)力云圖如圖12所示。由圖10—12可以看出：1)3種工況站臺板的最大主應(yīng)力(正數(shù)為拉應(yīng)力，負(fù)數(shù)為壓應(yīng)力)分別為4.97、6.22、6.23 MPa，最大拉應(yīng)力均小于材料的抗拉強(qiáng)度(10.55 MPa)；2)拉應(yīng)力較大值主要發(fā)生在邊跨懸臂端支座和肋梁處，但整體分布相對均勻，未有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖10 工況1站臺板的最大應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖11 工況2站臺板的最大應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖12 工況3站臺板最大應(yīng)力云圖(單位：MPa)

3種工況π型支墩應(yīng)力分布基本一致，最大主應(yīng)力值分別為5.5、7.0、7.1 MPa,均小于材料抗拉強(qiáng)度(10.55 MPa)。鑒于篇幅限制，僅選取π型支墩出現(xiàn)最大應(yīng)力的工況3進(jìn)行展示。工況3 π型支墩最大主應(yīng)力如圖13所示?？梢钥闯觯?)π型支墩拉應(yīng)力的較大值主要集中在π橫梁與中肋梁相接的凹槽處，這是由于中肋梁剛度最大，承受站臺板主要荷載，且只有中肋梁與π橫梁進(jìn)行螺栓固定連接；2)π橫梁跨中局部難以進(jìn)行加強(qiáng)的凹槽薄弱處未出現(xiàn)拉應(yīng)力；3)通過對與中肋梁連接處的π橫梁設(shè)置腋角，π型支墩拉應(yīng)力較大處得到了加強(qiáng)，增加了結(jié)構(gòu)的安全度。為此,π橫梁和站臺板的連接設(shè)計方案比較合理。

圖13 工況3 π型支墩最大主應(yīng)力(單位：MPa)

除了關(guān)注π型支墩和站臺板的應(yīng)力外，π橫梁和站臺板之間的連接螺栓受力也非常重要。3種工況螺栓最大mise應(yīng)力分別為85.95、87.14、90.04 MPa，小于M16螺栓抗拉強(qiáng)度(120 MPa)，代表連接部位處于安全狀態(tài)。

工況3螺栓的最大主應(yīng)力如圖14所示。

圖14 工況3螺栓的最大主應(yīng)力圖(單位：MPa)

3.2.2 變形分析

工況1豎向位移云圖如圖15所示。工況2豎向位移云圖如圖16所示。工況3豎向位移云圖如圖17所示。由圖15—17可以看出：1)3種工況的站臺板撓度主要發(fā)生在站臺板跨中和懸臂端，最大撓度分別為1.34、1.81、1.79 mm，均遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值L0/250(12 mm)；2)3種工況的站臺板隆起量主要發(fā)生在站臺板支座約束處，最大隆起量分別為0.11、0.10、0.07 mm。由于站臺板與支墩搭接寬度為145 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于支座的隆起量，只要支座連接螺栓不破壞，站臺板就不會失穩(wěn)。

圖15 工況1豎向位移云圖(單位：mm)

圖16 工況2豎向位移云圖(單位：mm)

圖17 工況3豎向位移云圖(單位：mm)

由于站臺板水平荷載較小，站臺板結(jié)構(gòu)水平位移相對較小，3種工況下結(jié)構(gòu)的最大水平位移分別為0.606、0.673、0.593 mm，遠(yuǎn)小于柱的水平位移限值h0/550(2.90 mm,h0為柱子的凈高)，結(jié)構(gòu)安全富裕度較高。在工況3的全活荷載作用時，由于豎向活荷載起有利作用，站臺板水平位移最?。辉诠r2的單邊活荷載作用時，偏心荷載會加大站臺板的水平位移，該工況水平位移最大。

工況2水平位移云圖如圖18所示。

4 施工方案及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

4.1 預(yù)制站臺板施工方案

預(yù)制站臺板先進(jìn)行π柱定位安裝，再進(jìn)行分塊站臺板拼裝。利用激光定位校準(zhǔn)π柱平面位置，采用盤扣式鋼管腳手架搭設(shè)臨時支架，再將π橫梁放置在支架頂托的槽鋼上，通過支架頂托的調(diào)整確定π橫梁標(biāo)高，最后綁扎π柱柱腳與底板接頭鋼筋并澆筑混凝土，待混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，即可進(jìn)行臨時支架拆除和站臺板安裝。UHPC預(yù)制站臺板拼裝示意如圖19所示。

圖19 UHPC預(yù)制站臺板拼裝示意圖

π型支墩和站臺板采用小型平板吊機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸和拼裝，并利用人工輔助吊機(jī)對π型支墩進(jìn)行局部微調(diào)，以保證其定位準(zhǔn)確。整個拼裝過程不受車站空間影響，安裝順序可由車站中間向兩端拼裝，也可由車站一端向另一端拼裝，實際拼裝順序與現(xiàn)場施工班組數(shù)量有關(guān)。

4.2 現(xiàn)場拼裝試驗

π型支墩和分塊站臺板尺寸較小，質(zhì)量較小，現(xiàn)場安排1名吊裝司機(jī)和2名工人進(jìn)行1個標(biāo)準(zhǔn)單元預(yù)制站臺板的場外拼裝試驗。整個拼裝過程比較順利，拼裝精度較高，平均每小時可完成2個π型支墩或3塊站臺板的拼裝。

若按照8 h 1個臺班計算，1個班組22 d可以完成1個標(biāo)準(zhǔn)車站的預(yù)制站臺板安裝；若多增加1個班組，π型支墩和站臺板則可以按照流水作業(yè)，同時進(jìn)行拼裝，總安裝時間可以減少1/2，2周時間可以完成1個標(biāo)準(zhǔn)車站的預(yù)制站臺板安裝。

4.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比分析

預(yù)制裝配式UHPC站臺板相對于常規(guī)現(xiàn)澆或預(yù)制混凝土站臺板方案，構(gòu)件尺寸更小，質(zhì)量更小，拼裝更簡單，耐久性更好，對機(jī)械設(shè)備要求低，施工精度相對易控制。雖然在初期價格相對較高，但當(dāng)規(guī)?；?，整體價格將與常規(guī)現(xiàn)澆混凝土站臺板持平，同等人力物力投入條件下，能明顯節(jié)約工期。站臺板方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比如表2所示。

表2 站臺板方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比表

5 結(jié)論與討論

1)預(yù)制裝配式UHPC站臺板單個構(gòu)件最大尺寸為3 m，最大質(zhì)量為1.11 t，單延米平均結(jié)構(gòu)質(zhì)量相當(dāng)于預(yù)制混凝土站臺板質(zhì)量的50%，單個標(biāo)準(zhǔn)車站的站臺板裝配率可達(dá)78%。

2)在設(shè)計荷載下，預(yù)制裝配式UHPC站臺板的應(yīng)力和變形都較小，滿足設(shè)計要求，其中站臺板拉應(yīng)力較大值主要發(fā)生在邊跨懸臂端支座和肋梁處，π支墩拉應(yīng)力的較大值主要集中在π橫梁與中肋梁相接的凹槽處，其他位置拉應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)受力比較合理。

3)預(yù)制裝配式UHPC站臺板相對于常規(guī)現(xiàn)澆或預(yù)制混凝土站臺板，構(gòu)件尺寸更小，質(zhì)量更小，耐久性更好，拼裝更簡單，施工精度更高，工期更短。

4)本文只對預(yù)制裝配式UHPC站臺板方案進(jìn)行理論分析、有限元計算和現(xiàn)場拼裝試驗，下階段將進(jìn)行地震工況下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析和現(xiàn)場足尺模型荷載試驗。