装配式 | 装配式地铁车站预制中板梁柱设计方案研究

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原文发表于《都市快轨交通》

第 36 卷  第 2 期  2023 年 4 月

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李孟廷，白雪梅，吴成刚，郑书悦

摘要：以深圳地铁内支撑体系下的装配式车站为工程背景，研究车站预制中板梁柱设计的关键技术：中板设计需同时满足基坑支撑的受力转换及车站流水拼装的工艺要求；中板设计需满足吊装、拼装、基坑受力转换、正常使用等工况的受力要求；中板设计需满足楼梯及扶梯开洞的受力需求。针对以上问题，研究车站采用预制+叠合型式中板结构的流水拼装步序，对拼装步序中围护、中板结构受力及变形进行分析；通过采用预制+叠合结构型式的中板结构以满足施工阶段和使用阶段的受力要求；针对中板开设大孔洞的设计难点，通过孔内设置型钢支撑来满足拼装及基坑受力转换的需求，车站拼装完成后在孔边现浇纵横梁、叠合层等形成孔边加强结构，然后切除孔内型钢支撑形成永久开孔；并通过设置抗剪连接、叠合层、纵横梁体系等措施满足开孔受力需要。预制中板的设计措施研究，实现了地铁车站的全断面装配，进一步提高了地铁车站的装配率及流水拼装的工效。

关键词:装配式地铁车站；预制中板；叠合结构；围护结构；拼装步序；中板开孔；抗剪连接

1研究背景

近年来装配式地铁车站技术在全国得到推广应用，从全国首座装配式车站2012年在长春地铁2号线袁家店站应用至今，国内陆续有济南、上海、广州、哈尔滨、青岛、深圳、无锡等城市进行了装配式车站技术的应用。

杨秀仁及其装配式研究团队，对装配式车站构件分块、接头连接型式、注浆式榫卯接头力学性能、刚度特性、结构的静动力特性、构件的轻量化设计、装配式车站防水、装配式车站的设计及计算方法等进行了系统研究[1-7]。丁鹏等分析了装配式车站单环结构在拼装成环后的受力及变形机理，研究了装配式车站水平及垂直地震响应，表明装配式车站结构在设计地震作用下具有优良的抗震性能且满足抗震要求[8-9]。

长春装配式车站技术是基于锚索支护基坑体系，中板及梁柱采用的是现浇方案，既有的文献中对装配式车站的研究多是针对装配式接头以及预制外围衬砌结构的受力特点，而对内支撑基坑支护体系下中板结构体系采用预制装配式结构的研究和应用较少。本文结合深圳地铁装配式车站的应用情况，对明挖内支撑基坑支护体系下采用预制中板梁柱方案进行了研究。内支撑体系下采用预制中板结构作为基坑的受力转换构件是设计的难点，基坑受力转换与车站流水拼装工艺如何衔接是确保装配实施及工效的关键，与现浇结构相比，预制中板结构需要同时满足施工阶段及使用阶段的受力要求，尤其是在中板设置楼扶梯处大孔位置的结构设计是一个难点。

本文装配式地铁车站预制中板梁柱方案研究主要包括：预制中板梁柱的结构型式、设计难点及措施。装配式车站预制中板的研究，实现了地铁车站的全断面装配，进一步提高了地铁车站的装配率及现场流水拼装的工效。为后续装配式车站结构设计提供了可借鉴的经验和方法。

2工程概况

2.1装配式车站结构型式

深圳地铁装配式车站断面采用站厅无柱、站台有柱的拱顶结构断面形式，结构总宽度22.3m，结构总高度17.35m，车站断面预制构件分块：顶板1块、侧墙2块、中板1块、底板1块、站台层设置预制中梁及中柱，沿着车站纵向顶板、侧墙、底板的环宽为2m。装配式车站的分块如图1所示。

2.2装配式车站基坑支护型式

深圳装配式地铁车站采用明挖法施工，基坑深度约21.05m，宽度22.7m，围护结构采用地连墙(幅宽8m)，采用内支撑结构，第1道支撑采用混凝土支撑(水平间距8m)，第2道及第3道支撑采用钢支撑(水平间距4m)，地连墙幅宽及支撑水平间距均与预制构件的环宽模数匹配，以满足拼装流水工艺要求，车站的底板、中板、顶板均需作为基坑的受力转换构件以满足受力要求。装配式车站明挖基坑支护体系与车站结构关系如图2所示。

2.3预制中板梁柱结构型式

中板梁柱体系竖向构件采用预制中柱，通过车站外围衬砌底板块设置的杯口基础将中柱嵌固，中柱柱距为8m，中柱上方设置预制中纵梁，中纵梁净跨7.1m，中梁在柱顶位置设置限位螺栓，柱顶位置梁端设置凹凸键槽预留300mm用于后浇。预制中板支承在侧墙牛腿及中纵梁上，中板设置了牛腿卡槽及限位螺栓与中梁进行连接限位。中柱及中梁超前拼装，杯口基础回填、中梁柱顶现浇段均超前一跨施工，不影响拼装工期。中板梁柱结构及尺寸如图3所示。

2.4预制中板梁柱结构设计重难点

1)结合上述装配式车站的结构型式及基坑支护方案，采用预制中板梁柱体系，整个装配式车站的流水拼装工艺是一个研究重点。

2)结合上述装配式车站的施工工艺，中板设计需满足吊装施工、拼装施工、基坑受力转换、正常使用等工况的受力要求，与现浇结构存在着显著差异，中板的受力分析是中板设计的重点。

3)车站设置了楼扶梯，中板需要开设大孔，采用预制中板梁柱体系开大孔的设计及受力分析是中板设计的一个难点。

3预制中板梁柱设计重难点研究

3.1拼装步序研究

预制中板梁柱体系下装配式车站的拼装工艺难点需要解决基坑竖向及车站纵向连续流水拼装问题。基坑竖向流水拼装关键在于结合基坑内支撑体系下的拆换，利用先拼装的预制结构板形成基坑的换撑后拆除相邻位置基坑的支撑，为后续预制板的拼装提供安装条件；车站纵向连续流水拼装关键在于利用支撑间距在车站纵向超前拼装底板、中柱及中梁，为基坑内预制构件在竖向的成环拼装提供条件。通过将基坑竖向构件拼装及车站纵向拼装流水衔接，形成明挖内支撑基坑支护体系下全断面装配式车站的流水拼装工艺。

3.1.1预制中板梁柱体系下的车站拼装步序

拼装步序为：基坑开挖及支护→超前拼装底板10块→中柱中梁及首环拼装→拆除第2、3道支撑拼装侧墙块、中板块→安装首环换撑及拆除第1循环支撑、完成剩余侧墙及中板拼装→拼装第1循环剩余顶板块成环→循环下一环拼装。其中，首环设置跨地连墙的分幅接缝，整环拼装在支撑水平间距4m宽度范围内完成，无需拆撑即可完成整环拼装，为相邻下一环的拼装提供支撑拆除的条件，后续流水拼装结合断面的拼装顺序及基坑受力转换循环进行，装配式车站的车站纵向流水施工步序如表1所示。

3.1.2拼装步序中围护结构及中板受力分析

与现浇地铁车站基坑相比，装配拼装步序下支撑水平间距及地连墙分幅宽度都有所加大(现浇车站基坑钢支撑间距一般为3m，地连墙分幅一般为6m)。为确保采用预制中板体系下基坑支护的受力可行性，取1个流水拼装循环工况，采用MIDAS/GTSNX软件，针对中板拼装前后支撑受力、围护结构变形进行有限元建模分析，围护结构采用二维板壳单元，地层对围护作用按照朗肯土压力计算，地层、结构板位置的传力件、支撑等对围护的约束按照仅受压弹簧进行模拟，取3幅地连墙(长度24m)进行建模计算，建立荷载-结构模型如图4所示，其中围护结构混凝土等级为C35，墙厚800mm，采用的板壳单元最大尺寸为0.8m，计算采用的参数如表2所示，计算结果如表3所示。

中板拼装前后中板位置支撑受力、围护结构变形分析表明：工况1至工况2，底板与围护之间肥槽采用素混凝土回填，达到强度后拆除第3道支撑，围护分幅位置变形增加3.81mm，第2道支撑轴力增加183kN；工况2至工况3，安装第1块中板、通过调整中板位置侧墙与围护之间的传力钢丝杠形成换撑，围护变形增加0.72mm，中板换撑轴力为3342kN(每延米1671kN)；工况3至工况4，安装后续中板、通过调整中板位置侧墙与围护之间的传力钢丝杠形成换撑，围护变形减少0.22mm，中板换撑轴力增加113kN；以上工况围护结构水平位移均小于控制值30mm，满足基坑变形控制要求，基坑支护采用的钢支撑为外径800mm壁厚16mm的Q345钢支撑，稳定应力比为0.68<1，承  载力满足要求，因此，计算表明在装配式车站基坑支  撑水平间距及地连墙幅宽增大的情况下，围护及中板  可以满足流水拼装工艺受力要求。3.2 预制中板不同工况受力分析  装配地铁车站预制中板设计与现浇车站中板结构  设计存在差异，预制中板需包络设计，考虑各个工况  的受力情况。预制中板经历工厂预制吊装运输、现场  拼装、正常使用 3 个阶段，针对以上预制中板受力阶段，  计算受力工况依次为：吊装施工、拼装及基坑受力转换、  浇筑叠合层施工、装修及设备安装施工、正常使用近  期低水位、正常使用远期高水位(见表 3)。考虑中板  在设备用房区承受设备荷载较公共区承受人群荷载  大，选择设备区中板进行计算，采用 MIDAS 软件，以  单块中板为计算对象，采用板壳单元建立中板结构模  型。针对使用阶段远期高水位工况，水压力作用在底  板上，导致中柱产生向上的变形，会对中板内力产生  影响，此工况采用车站整体框架断面模型进行分析。 预制中板尺寸及板壳有限元模型如图 5 所示，图 6 为>正常使用阶段内力结果，各个工况计算结果如表4所示，其中拼装及基坑受力转换工况，由计算结果表3中可知，中板换撑轴力为3342～3455kN，单环中板车站纵向宽度为2m，车站纵向每延米中板的换撑轴力为1671～1727.5kN。

通过对中板的各个受力工况分析，计算结果表明：1阶段(工况1～工况3)预制中板的内力控制工况为浇筑中板叠合层工况，考虑纯弯构件截面配筋计算，计算配筋率(计算配筋与构件有效面积之比)0.7%即可满足承载力及裂缝控制要求；2阶段(工况4～工况6)预制中板与叠合层形成整体后，控制工况为使用阶段高水位工况，该工况考虑纯弯构件截面配筋计算，计算配筋率(计算配筋与构件有效面积之比)0.54%即可满足承载力及裂缝控制要求。当考虑基坑换撑工况中板承担换撑轴力时，轴力为1671～1727.5kN/m，构件截面配筋计算表明结构为大偏压构件，与纯弯构件配筋计算配筋结果相比不控制。变形计算表明各个工况变形均满足刚度要求，施工阶段预制中板挠度最大为浇筑叠合层工况，预制中板与叠合层形成叠合截面后中板刚度增加且变形减少约46%，使用阶段高水位工况，水压力作用在底板上，导致中柱产生向上的变形，使中板跨中变形增加约18%。

3.3中板开大孔设计及受力分析

3.3.1中板开大孔设计方案简介

车站的楼梯、扶梯、设备需要在中板开设大孔(如楼扶梯孔洞尺寸：12m×6m)，装配式车站预制中板开孔设计不仅需满足使用阶段的受力要求，还需要满足运输、吊装、拼装等施工阶段的受力要求。针对中板开设大孔位置，预制中板被大孔切断，通过在每块预制中板内设置6根工字钢组成的型钢支撑来满足快速流水拼装的施工要求和基坑受力转换需求，避免施工期间额外设置支架。车站拼装完成后，中板孔边横梁(2000mm×800mm)及纵梁(1000mm×800mm)与中板叠合层同步浇筑，形成孔边受力转换结构体系，后浇叠合层及纵横梁达到设计强度后对孔洞内的型钢进行切除完成中板开孔。中板开大孔位置施工阶段及使用阶段设计平面图如图7所示。

3.3.2中板开大孔结构在竖向荷载下的受力分析

根据标准中板受力分析结果，取最不利工况(浇筑叠合层工况)对开大孔预制中板进行施工阶段分析，取单块预制中板与型钢支撑建立有限元模型进行分析，采用MIDAS软件，预制中板采用板壳单元，型钢采用梁单元。中板采用平面板壳单元，中柱、中纵梁、孔边梁采用梁单元，以公共区楼扶梯开孔中板范围为计算分析范围，建立有限元模型进行整体分析，模型中考虑了中板预制板与叠合层形成整体。图8为预制中板与型钢支撑有限元模型和施工及使用阶段中板整体模型。图9为施工阶段及使用阶段中板内力结果。各个工况计算结果如表5所示。

表5为中板在竖向荷载下的弯矩及剪力结果，计算结果表明：施工阶段开孔位置预制中板与型钢支撑组成的组合式构件，预制板偏不利按纯弯构件截面配筋计算，按标准板配筋即可满足承载力及裂缝控制要求；型钢支撑采用22B工字钢(Q345钢)，单块中板吊装过程中在两端预制中板及中间型钢均设置吊点，采用多点平行起吊方式，与中板在支撑倒换阶段受力相比不控制构件设计，控制工况为支撑倒换阶段工况，考虑中板承担的基坑换撑轴力分配到每根型钢支撑最大为576kN，按压弯构件计算稳定应力比为0.9<1，承  载力满足要求；正常使用阶段孔边纵梁及横梁配筋计  算表明承载力及裂缝可以满足要求>＜1。

3.3.3中板开大孔结构在水平荷载下的受力分析

使用阶段中板开孔周边纵梁及横梁的受力分析均基于浇叠合层与预制中板之间、相邻预制中板之间，可以有效传递中板平面内的剪力效应，其中相邻预制中板之间的剪力效应模式如图10所示。为了分析浇叠合层与预制中板之间、相邻预制中板之间中板平面内的剪力效应对中板孔边纵梁受力的影响，以扶梯开孔为例建立平面有限元模型进行对比分析，采用MIDAS软件，预制中板采用板壳单元，孔边纵梁及横梁采用梁单元，其中不考虑剪力效应模型，通过将相邻中板间的板端水平约束释放实现。有限元模型及计算结果如图11所示。

计算结果表明：对比图11(b)和图11(c)，考虑剪力效应情况下纵梁及横梁支座弯矩由6688kN·m降低至1811kN·m，降低约73%，纵梁跨中弯矩由774kN·m降低至144kN·m，降低约81%，横梁跨中弯矩由977kN·m降低至365kN·m，降低约63%。通过对图11(d)板平面内轴力分布分析发现，板的轴力分布呈现“内拱现象”，内拱使得板梁一起受力，减少了孔边纵梁及横梁弯矩。因此，预制装配式中板开大孔设计需考虑利用预制板间剪力效应，使预制板与叠合层、纵梁形成整体承受中板平面内的水平力。

4装配式车站中板结构设计措施

4.1中板位置满足基坑受力转换设计措施为确保在采用预制中板体系下基坑支护的受力转换能够实现，满足车站纵向拼装流水工艺要求，设计方案在中板位置侧墙与围护之间设置了传力钢丝杠，以满足超前拼装及拆除第2道支撑的基坑受力要求，避免逐环拼装逐环肥槽回填，实现肥槽每纵向4环一个分仓集中回填，回填与纵向施工循环同步匹配紧跟。设计措施如图12所示。单环中板传力丝杠的安装完成时间约30min，如果采用逐环肥槽回填，单环的肥槽回填浇筑至达到换撑受力强度要求的时间为4d。因此，中板传力丝杠的设置实现了车站快速拼装流水的工艺要求，提升了装配拼装的施工工效。

4.2中板叠合层设计措施

预制中板需包络设计，考虑各个工况的受力情况，叠合层的设计需考虑预制构件和叠合层的叠合面剪力传递，叠合层与预制构件后期叠合形成整体承受使用阶段的荷载。设计措施为：叠合面设置粗糙面及桁架抗剪钢筋，车站侧墙预制构件预留锚固钢筋及叠合层主筋接驳器。中板叠合层设计措施如图13～15所示。

叠合层的设置使预制构件面层形成连续整体，使相邻环块预制中板能够共同承受竖向荷载，变形协调，可以避免局部中板设备荷载集中位置因变形不协调而导致的装修层开裂。

4.3中板开孔范围预制板间水平抗剪设计措施

装配式中板开大孔设计需考虑预制板间剪力效应，使预制板与叠合层、纵梁形成整体承受中板平面内的水平力，主要设计措施是通过设置预制板预留钢抗剪连接件、预制中板之间设置凹凸抗剪键槽及叠合层、孔边现浇纵横梁来实现。设计措施如图16所示。

通过抗剪措施使得孔边板间剪力效应可以实现，从而降低孔边纵横梁的弯矩效应，纵梁及横梁支座弯矩降低约73%；纵梁跨中弯矩降低约81%，横梁跨中弯矩降低约63%；可以减少孔边纵横梁的尺寸，避免较大的纵梁及横梁对中板板下的过管空间及装修空间产生影响。

5结语

以深圳地铁装配式车站工程为工程背景，对装配式地铁车站预制中板梁柱方案中的重难点问题进行了研究。主要结论如下：

1)基于装配式车站采用预制中板，提出了与之相适应的明挖内支撑体系下的流水拼装步序，提高断面装配率的同时也提高了拼装工效。目前，深圳现场本工艺的拼装工效为2d完成3整环。

2)装配式车站采用预制中板，设计中需结合明挖基坑的受力转换要求、预制构件的吊装、车站的拼装工艺等对中板进行设计。

3)装配式车站中板采用叠合结构形式，可以满足施工阶段及正常使用阶段等工况的受力要求，叠合层的设置增强了中板的整体性，而且施工无需设置支架及模板，可以结合拼装流水工艺，采用分段整体浇筑，提高了工效。

4)预制装配式中板开大孔设计需考虑预制板间剪力传递问题，增设抗剪连接措施，使预制板与叠合层、纵横梁形成整体承受中板平面内的水平力，利用整体结构内拱效应，避免孔边梁集中受力。

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