永臨結合裝配式地鐵車站構件型式與拼裝模式比選*

李育慧 麥家兒** 孫 菁 王利軍 何冠鴻

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

裝配式地鐵車站的結構型式主要分為全預制裝配式和裝配整體式,前者采用構件干式連接,避免了現澆濕式作業(yè),由預制構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制裝配技術的地鐵車站[1]。全預制裝配式地鐵車站具有預制率高、現場無澆筑等優(yōu)點,但其構件自重大,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,其由預制構件可靠連接,并與現場后澆材料形成整體的裝配式結構,其受力特性等同現澆結構。上海軌道交通15號線吳中路站是我國首座軟土地區(qū)采用預制拼裝結合現澆疊合拱殼的無柱大跨地鐵車站,其站廳層采用預制無柱拱板+現澆拱座的疊合拱殼結構[2]。濟南軌道交通1號線方特站運用深基坑大尺寸預制疊合結構施工方法,將預制肋疊合墻、復合立柱和預應力疊合頂板應用于地鐵車站,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用或規(guī)劃應用裝配式地鐵車站。

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

1 永臨結合裝配式車站方案概述

永臨結合裝配式地鐵車站方案的設計思路為將臨時圍護結構與永久主體結構相結合。永臨結合裝配式地鐵車站結構型式示意圖如圖1所示。車站的主要圍護結構,即地下連續(xù)墻和混凝土支撐,兼做車站永久結構的側墻(或側墻的一部分)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道支撐標高與頂板標高對應、第3道支撐標高與樓板標高對應);④ 開挖至坑底后施工底板,澆筑側墻與地連墻形成疊合結構;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。通過永臨結合的施工方式可以省去側墻或只需增設較薄的側墻與地連墻疊合受力,不需要對支撐進行拆除,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 永臨結合裝配式地鐵車站結構型式示意圖

本方案立足于廣州地鐵新一輪線網建設,可應用于各種跨度、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端頭井及與風亭開口段,結構受力較為復雜,這兩部分仍采用現澆混凝土結構,其余部分則采用裝配式結構。在廣州市新一輪線網規(guī)劃的市內地鐵車站、城際地鐵車站中,按照其橫向跨度主要可分為以下3種:標準跨度車站,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構柱。各類型車站典型斷面示意圖如圖2所示。本方案采用標準化構件設計思路,各主要構件采用了統(tǒng)一斷面尺寸、按特定模數增加長度、調整配筋等方法,以期用更低的設計成本實現對于不同類型車站的普遍適用性。

2 構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構常用的簡支結構型式未見應用。從施工角度來看,對于地連墻永臨結合方案,若頂板、中板與側墻之間采用固支方案,則地連墻施工階段需要預留大量的鋼筋接駁器或其他預埋件來進行可靠連接,這不但增加了施工難度,而且在裝配過程中還易發(fā)生預留件錯位的問題,對裝配式施工的質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)點的構造為:① 在頂板橫梁支點處,地連墻預留企口,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,地連墻預留鋼筋接駁器用以固定半預制腰梁,中板橫梁搭接于腰梁上并用鋼棒定位與固定;③ 根據柱網長度進行分段,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剛性連接;④ 通過縱梁預留的側向牛腿和鋼板,將橫梁固定在縱梁上。所有節(jié)點均已根據實際工程條件進行驗算和加強設計。經試算結果可知,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準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行抗震分析,結果表明: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。

在滿足結構安全性的前提下,采用鉸支連接方案需增加主要構件尺寸和工程造價,但其裝配段工期預計可節(jié)省約30%,可大幅度改善重要節(jié)點的施工質量。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制構件,其拼裝方式有3種(見圖3):密鋪同規(guī)格橫梁、密鋪橫向預制板、搭接縱向預制板。其中:密鋪同規(guī)格橫梁和密鋪橫向預制板的受力模式類似,后續(xù)密鋪的構件將其承擔的荷載傳遞至側墻或縱梁上,不向兩側橫梁傳遞荷載;搭接縱向預制板方式中,預制板兩端搭接在兩側橫梁上,而板上荷載也傳遞至兩側橫梁,橫梁承擔了支撐間距范圍內樓板的所有荷載,導致其內力較大。

a) 密鋪同規(guī)格橫梁

頂板直接承擔了覆土的水土壓力,若將其支撐間距范圍內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制板的拼裝方式。對于中板而言,其承擔的荷載主要為板上人群荷載及設備荷載等,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,宜采用搭接縱向預制板的拼裝模式,以更好地適應樓板開孔的情況。

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,預制構件上均預留甩筋。待拼裝完成后,在預制構件的頂部現澆一層鋼筋混凝土。

2.3 不同施工階段下的構件受力分析

以地下兩層地鐵車站為例進行計算,車站柱網縱向跨度為9 m,地連墻厚度為800 mm(兼做永久側墻)?；拥?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?；与A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、地面超載和吊頂風管荷載等,中板梁主要為裝修荷載、人群荷載和設備荷載,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作為構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制普通混凝土梁、預制型鋼混凝土梁、鋼-混組合梁、預應力箱梁這4種梁類型(見圖4),分析其在不同橫向跨度下的特點和經濟性。

a) 預制普通混凝土梁

預制普通混凝土梁是目前最常用的預制梁結構,具有工藝簡單成熟、適應性強等優(yōu)點。由于內插型鋼的作用,預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,外露的型鋼需進行表面處理。通過施加預應力,預應力箱梁能顯著增強構件的抗彎承載力,有效控制構件撓度,具有很好的抗裂性能,但其張拉工藝相對復雜。各梁在頂部預留插筋,拼裝完成后在頂板、中板上統(tǒng)一澆筑現澆層。

3.2 各梁型經濟性比選

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、梁預制部分自重和梁的每延米造價,以此來比選各梁型的經濟性。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),并綜合考慮了預制工藝、構件運輸、起吊設備和現場裝配的費用。

在3種典型裝配式車站跨度下(標準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制部分自重如圖5所示。由圖5可知:當橫向跨度小于14.0 m時,預制普通混凝土梁造價較低;隨著橫向跨度的增大,預應力箱梁的造價優(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應力箱梁類型。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制部分自重計算結果如表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制部分自重

3.3 各梁型選型小結

綜合分析各梁型的特性和經濟性,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,各梁可采用預應力箱梁,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,可綜合預制廠家的生產情況混合采用不同梁型,如對受力較大的頂板采用預應力箱梁、受力較小的中板采用預制混凝土梁。此外,當中板采用預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,建議當橫向跨度超過20.0 m時,采用密鋪橫向預制板或密鋪同規(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 結語

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

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

2) 采用鉸接模式連接頂板、中板與側墻,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)點和加大構件尺寸可以滿足構件的結構安全要求,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,中板梁內力較大,也可采用密鋪橫向預制板或密鋪同規(guī)格橫梁的拼裝模式。

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

5) 永臨結合方案在工程造價上的優(yōu)勢較為明顯,但在實際應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合裝配式地鐵車站研究及應用的關鍵。