采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的新型地鐵裝配式車站結(jié)構(gòu)研究

鄔 澤，吳春冬，蔣小銳

中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055

新時(shí)代綠色發(fā)展觀在城市軌道交通建造領(lǐng)域的體現(xiàn)是應(yīng)用綠色建造技術(shù)，其中裝配式車站建筑是地鐵車站建筑技術(shù)一體化的工業(yè)化產(chǎn)品，是決定軌道交通建設(shè)效率和效益能否最大化的關(guān)鍵。我國(guó)積極探索發(fā)展裝配式地下車站結(jié)構(gòu)，文章在設(shè)計(jì)先行和全系統(tǒng)、全過程設(shè)計(jì)控制的理念下，統(tǒng)籌考慮技術(shù)的協(xié)同性、管理的系統(tǒng)性、資源的匹配性，提出一種新型裝配式地鐵車站建筑技術(shù)。

1 新型裝配式地下車站主體方案

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

結(jié)合國(guó)內(nèi)既有裝配式車站方案的優(yōu)點(diǎn)，文章提出一種新型裝配式地下車站方案，其技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）高裝配率（全裝配結(jié)構(gòu)）。該方案采用全裝配結(jié)構(gòu)，裝配段除部分中板（樓扶梯開口部位）采用現(xiàn)澆施工外，其余部件均采用裝配式構(gòu)件，標(biāo)準(zhǔn)段裝配率高達(dá)96.5%。

（2）構(gòu)件一體化、標(biāo)準(zhǔn)化、輕量化。該方案裝配段標(biāo)準(zhǔn)斷面僅由頂板、中板、底板和左右側(cè)墻5大構(gòu)件拼裝而成，最大程度上實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件的一體化和標(biāo)準(zhǔn)化。車站頂板采用型鋼-混凝土板組合結(jié)構(gòu)，車站底板、側(cè)墻、中板均采用局部中空混凝土結(jié)構(gòu)，最大限度地減輕了構(gòu)件重量。

（3）結(jié)構(gòu)抗震性能強(qiáng)。該方案采用榫槽連接、螺栓連接同預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉相結(jié)合的接頭方案，無濕接頭，施工進(jìn)度快，不用焊接，節(jié)省材料。同時(shí)采用高強(qiáng)螺栓及鋼絞線張拉法提高了裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)受力的可靠性，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

（4）車站淺覆土。該方案結(jié)構(gòu)頂板采用平頂結(jié)構(gòu)，在滿足限界及使用空間要求下，平頂結(jié)構(gòu)保證了結(jié)構(gòu)高度最小，減小了基坑開挖深度，有效減少了工程投資。

（5）增強(qiáng)防水設(shè)計(jì)。除了接縫防水，還增加了一道接縫外噴膜防水。

（6）建筑方案模塊化。建筑方案采用模塊化設(shè)計(jì)的形式，結(jié)合綜合管線，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部裝配化安裝及裝修。

1.2 主要技術(shù)方案

文章以華南地區(qū)某地下兩層11m島式站臺(tái)無柱車站為例，進(jìn)行新型裝配式車站方案設(shè)計(jì)。車站總長(zhǎng)253.6m，其中標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)224m，采用裝配式施工，標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面寬20.9m、高 14.69m。

（1）結(jié)構(gòu)總裝方案。車站標(biāo)準(zhǔn)段采用裝配化施工，為地下兩層無柱矩形框架結(jié)構(gòu)，由頂板D塊、中板C塊、底板A塊和左右側(cè)墻B塊5塊預(yù)制構(gòu)件拼裝而成，襯砌環(huán)寬2m，如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)結(jié)構(gòu)總裝方案圖

（2）預(yù)制構(gòu)件尺寸。①頂板D塊。車站頂板為型鋼-混凝土板組合結(jié)構(gòu)。頂板上部為C50、P10鋼筋混凝土板，混凝土板長(zhǎng)20.9m、寬2m、厚0.3m。頂板下部由3根長(zhǎng)19.7m的H型鋼（H760mm×300mm×30mm×30mm）組合而成。H型鋼間距0.65m，下部焊接一塊寬1.6m、壁厚20mm的封底鋼板，如圖2所示。頂板所有鋼結(jié)構(gòu)均采用Q345鋼，并對(duì)工字鋼進(jìn)行防腐、2h防火處理。車站頂板組合構(gòu)件總重59.7t，整體從預(yù)制廠運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)安裝。②中板C塊。車站中板為長(zhǎng)18.6m、寬2m、厚0.6m的局部中空鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用C50混凝土，總重49.2t。③底板A塊。車站底板為長(zhǎng)20.9m、寬2m、厚1.3m的局部中空鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為使側(cè)墻與底板連接處位于彎矩、剪力較小的部位，底板兩端墻角部位加高至3.15m。底板采用C50、P10混凝土，總重125.1t。④側(cè)墻B塊。車站標(biāo)準(zhǔn)環(huán)側(cè)墻為高10.48m、厚0.7m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，構(gòu)件編號(hào)B，總重37.8t。側(cè)墻局部中空，采用C50、P10混凝土。

圖2 頂板型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)（單位：mm）

（3）主體結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)方案。①底板A塊與側(cè)墻B塊連接。底板A塊與側(cè)墻B塊采用榫接接頭同預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉相結(jié)合的接頭方式。接頭靠近側(cè)墻彎矩最小及剪力較小部位設(shè)置，于底板設(shè)置2道凸榫，接頭外側(cè)設(shè)置2根5×7φ5mm鋼絞線，對(duì)接縫進(jìn)行后張拉拉緊。榫槽內(nèi)預(yù)留注漿管，接頭緊固后灌注漿液。②頂板D塊與側(cè)墻B塊連接。頂板D塊與側(cè)墻B塊采用兩種方式連接，混凝土板與側(cè)墻采用榫接接頭同預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉相結(jié)合的接頭方式；H型鋼下翼緣與側(cè)墻頂部預(yù)埋鋼板采用M24高強(qiáng)螺栓連接。此接頭連接部位寬1.1m，外側(cè)0.6m寬為混凝土連接面，于側(cè)墻設(shè)置一道凸榫，接頭外側(cè)設(shè)置2根5×7φ5mm鋼絞線，對(duì)接縫進(jìn)行后張拉拉緊。榫槽內(nèi)預(yù)留注漿管，接頭緊固后灌注漿液。接頭連接部位內(nèi)側(cè)0.5m寬為H型鋼與側(cè)墻頂部預(yù)留鋼板連接，采用3排×8根M24高強(qiáng)螺栓緊固連接，螺栓強(qiáng)度為8.8級(jí)，其中蓋板采用槽孔，芯板采用標(biāo)準(zhǔn)圓孔。③中板C塊與側(cè)墻B塊連接。中板C塊與側(cè)墻B塊采用榫接接頭同高強(qiáng)螺栓相結(jié)合的接頭方式。于側(cè)墻B塊牛腿設(shè)置一道凸榫，同時(shí)在中板兩端各設(shè)置4根8.8級(jí)M24高強(qiáng)螺栓連接中板和牛腿。中板C塊與側(cè)墻B塊預(yù)留50mm空隙，緊固后澆筑C55微膨脹混凝土。榫槽內(nèi)預(yù)留注漿管，接頭緊固后灌注改性環(huán)氧樹脂。④構(gòu)件環(huán)縱向連接。構(gòu)件環(huán)環(huán)向設(shè)置凹凸榫，底板設(shè)置2道，側(cè)墻和中板設(shè)置1道，頂板設(shè)置1道。構(gòu)件環(huán)縱向通過多道預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行張拉緊固，每道縱向預(yù)制裝置孔槽設(shè)置1-7φ5mm鋼絞線，鋼絞線前端與上環(huán)襯砌環(huán)鋼絞線連接器連接，末端與千斤頂連接，通過千斤頂張拉鎖緊。接頭緊固后向榫槽和鋼絞線孔槽灌注漿液。根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置，底板對(duì)每道三元乙丙橡膠條能提供最大177kN/m壓緊力，側(cè)墻為80kN/m壓緊力，頂板為210kN/m壓緊力，滿足防水壓力要求。⑤防水設(shè)計(jì)。預(yù)制襯砌環(huán)以混凝土自防水為主，采用C50、P10防水混凝土；環(huán)向、縱向接縫設(shè)置44mm厚的三元乙丙橡膠密封墊，頂板設(shè)置1道，側(cè)墻、底板設(shè)置2道；側(cè)墻、頂板接縫外側(cè)噴涂丙烯酸鹽噴膜防水材料，噴涂范圍為接縫兩側(cè)各0.5m。⑥基坑設(shè)計(jì)。采用地連墻+三道內(nèi)支撐支護(hù)體系，其中地連墻厚1m，第一道支撐為0.8m×1.0m鋼筋混凝土支撐，水平間距7m；第二、三道支撐為鋼支撐（直徑為φ800mm、厚度為20mm），水平間距為3.5m。底板A塊與側(cè)墻、中板、頂板BCD塊分作2單元組織施工，其中A塊單元超前逐段安裝，BCD塊單元逐環(huán)安裝，構(gòu)件逐環(huán)安裝、肥槽分段回填、鋼（混凝土）支撐逐根拆除交替循環(huán)進(jìn)行。

2 結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 整體受力、變形分析

對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模，進(jìn)行承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)收，均能滿足規(guī)范要求，如圖3、圖4所示。

圖3 三維計(jì)算模型

圖4 變形云圖

2.2 抗震分析

（1）反應(yīng)位移法驗(yàn)算E2地震作用抗震性能。經(jīng)計(jì)算，E2地震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/1519＜1/550，滿足規(guī)范要求，如圖5所示。

圖5 E2地震作用下層間位移

（2）時(shí)程分析法驗(yàn)算E3地震作用抗震性能。由計(jì)算結(jié)果可見，2條天然地震波和1條人工地震波作用下的結(jié)構(gòu)位移角最大值分別為1/317、1/390和1/656，均小于規(guī)范要求的1/250的限值，如圖6所示。

圖6 E3地震作用抗震性能

3 效益分析

3.1 裝配率

標(biāo)準(zhǔn)段除部分中板（樓扶梯開口部位）采用現(xiàn)澆外，均采用裝配式構(gòu)件，標(biāo)準(zhǔn)段裝配率為96.5%。

3.2 工期對(duì)比

工期對(duì)比如表1所示。

表1 工期對(duì)比表

3.3 人工數(shù)量對(duì)比

人工數(shù)量對(duì)比如表2所示。

表2 人工數(shù)量對(duì)比表

4 結(jié)束語

文章提出的一種頂板采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的新型裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)方案，具備高裝配率，構(gòu)件一體化、標(biāo)準(zhǔn)化、輕量化，高抗震性能，淺覆土等特點(diǎn)，工期、人工數(shù)量對(duì)比傳統(tǒng)現(xiàn)澆明挖車站，分別節(jié)約30.3%和63.3%，整體效益提高顯著，值得推廣。