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好文推荐|地铁车站装配式站台板拆分设计与连接方法研究

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摘要


Abstract


以北京地铁19号线一期新发地站为对象,探讨装配式技术在车站站台板中的应用,重点讨论了车站在明挖和暗挖两种不同施工方案下装配式站台板的拆分设计、连接接头构造及施工方案。结果表明:对于明挖顺作的车站,可将站台板及侧墙作为整体拆分成2个预制段,利用底板预留杯口实现快速装配;对于暗挖的车站,将站台板横向拆分成4段,站台板的装配率可达75%。装配式站台板能明显减少施工人数,提高施工质量,为真正实现轨道交通绿色安全建造提供了思路。


引言


随着城市化进程的加快,城市人口迅速增加,交通堵塞问题日益严峻。地铁轨道交通运行速度快,运载能力强,是有效缓解城市交通压力的重要手段。近20年,我国的轨道交通保持了高强度发展,2015年后,伴随国家大力投入基础设施建设政策的出台,国内轨道交通建设进入新一轮繁荣的。


目前地铁轨道交通的施工方法仍以浅埋矿山法、明挖顺作法、暗挖逆作法和盾构法等传统工艺为主,多倚重简单劳动力的高强度使用,整体建设技术科技含量较低、建设效率偏低,且对环境的可持续发展考虑不足。如何实现地铁轨道交通的绿色安全建造是亟需解决的难题。


装配式技术是建造方式的变革,它利用预制部品部件的现场装配形成建筑,具有节能环保、施工进度快、工程造价低等优点。目前,装配式技术已逐步应用于地铁车站建造,如长春地铁2号线袁家店站和北京地铁6号线金安桥站等多个地铁车站建造采用了装配式技术。另外,众多学者也开始研究装配式技术在地铁车站中的运用,如杜修力等对地铁车站装配式梁板柱中节点的抗震性能展开了研究;钟春玲等利用有限元方法对装配式地铁车站的力学性能展开了研究;李兆平等对装配式地铁车站双榫槽式接头的抗弯性能进行了试验研究。虽然装配式技术在地铁车站的建造中取得了较大的突破,但主要集中在车站主体结构的建造方面,而关于地铁车站二次结构的装配式技术应用与研究鲜有报道。如站台板、隔墙、轨顶风道、楼梯和出入口等二次结构的建造工程量巨大,且施工工序多、生产环境复杂、施工质量难以控制,对周边环境影响大。因此,如何将装配式技术应用到地铁车站二次结构的建造中具有重要意义。


本文将以北京地铁19号线一期工程新发地站的站台板为对象,对站台板的装配式技术展开探索研究。重点针对目前地铁车站常用的明挖法和暗挖法,讨论了适用于不同施工方案的装配式站台板的拆分方法、站台板连接节点设计及具体施工方案,为后续地铁车站的安全绿色建设提供参考。


Part 01


工程概况


新发地站是北京地铁19号线一期工程的中间站,位于丰台区京开高速新发地北桥东北象限绿地内,沿京开高速东侧绿地南北向布置,为地下3层13 m岛式站。车站主体结构为3层双柱3跨的框架结构,车站设计起(终)点里程为:K33+178.623—K33+424.623,有效站台中心里程为 K33+291.623,总长246m,标准段宽22.3m,顶板覆土约厚3.3m,轨面埋深约22.388m。车站共设置3个出入口、4个安全出口,两端各设置2组风亭(顶板顶出设计)。车站主体结构采用明挖法施工,两端接盾构区间。车站主要构件的设计使用年限为100年,永久构件的安全等级为一级,二次结构构件在按荷载效应基本组合进行承载力计算时,结构重要性系数取1.1,按荷载效应的偶然组合进行承载力计算时,结构重要性系数取1.0。


新发地车站站台板的典型剖面如图1所示。站台板有效宽度为13.0m,有效长度约为186.0m。板底距离底板高度为1.39m,两端设置200mm厚端墙,跨中设置钢筋混凝土梁,梁下为300mm×300mm钢筋混凝土柱。



Part 02


装配式站台板拆分设计


拆分是装配式技术的关键环节。构件拆分受多方面因素的影响,如建筑功能性、结构合理性、制作运输安装环节的可行性和便利性。本车站站台板的拆分原则大致如下:①拆分应考虑站台板受力的合理性,如按单向还是双向板考虑;②构件拆分接缝宜选在应力较小部位;③尽可能减少构件规格和连接节点种类;④宜与相邻的相关构件拆分协调一致;⑤充分考虑预制构件的制作、运输、安装各环节对预制构件拆分设计的限制,遵循受力合理、连接简单、施工方便、少规格、多组合的原则。


由于地铁车站内不同位置站台板建筑功能的差异,整个站台板的规格并不完全一致,公共区楼梯和设备区开洞较多,如果所有站台板均采用装配式方案施工,则构件预制需要的模具种类繁多,生产成本较高,且难以实现标准化。综合考虑,初步选取公共区(避让楼扶梯)及设备区未开洞部分的站台板作为装配式技术的施工对象。


2.1明挖顺作法


由于该车站采用明挖顺作法施工,有较大的构件运输和吊装空间,因此,在进行站台板拆分时,尽可能减少站台板的拆分数量,减少现场拼接工序。本方案将站台板、左右边侧墙及中间梁柱视为整体,沿其中轴线对称拆分成两部分,具体如图2所示。



每个预制节段包括站台板和侧墙,其横断面为槽形。由于主体结构框架柱的存在,部分站台板需在框架柱位置开洞,因此,共存在4种规格的预制节段,如图3所示。其中,预制块A1为 2.565m×6.495m,重约11.36t;预制块A2为2.565m×6.495m,重约11.61t;预制块A3为3.03m×6.495m,重约13.73t;预制块A4为3.03m×6.495m,重约13.48t。站台板总面积2 980㎡,设备区站台板总面积831㎡,可装配面积约86.1㎡,装配率约10.4%;公共区站台板总面积为2149㎡,可装配面积1 338.3㎡,装配率约62.3%。装配式站台板区域如图4所示。



2.2暗挖法


如果车站位于繁华的城市中心区,明挖顺作法受限,采用暗挖施工时,车站内施工空间有限,且不能采用大型吊装机械,因此,方案1的站台板拆分并不适用。本节考虑有限施工空间和吊装能力,提出了第2种站台板拆分方案,站台板有效宽度范围内横向拆分如图5所示。横向拆分为4块,共3种规格,综合现场机械吊运能力及安装要求,各预制块的详细尺寸及吊点设置如图6所示。其中,预制块A为0.99m×2.75m,重约1.36t;预制块B1为0.99m×2.55m,重约1.26t;预制块B2为0.99m×3.2m,重约1.58t。设备区站台板可装配面积423.3㎡,装配率约50.9%;公共区站台板可装配面积1 811.72㎡,装配率约84.3%。装配式站台板区域如图7所示。



Part 03


预制节段连接接头设计


合理可靠的连接是装配式建筑的关键,是确保结构整体受力的前提。现阶段,建筑结构领域装配式楼板的连接方式主要有两种:①湿连接,通过在连接处预留一定范围的混凝土后浇带进行连接;②干连接,通过设置预埋的机械连接件进行连接。


对于适用于车站明挖顺作法的方案1,站台板拆分少,现场连接接头少,仅包括预制块间的接缝和与底板间的接缝。预制块间的连接,采用企口砂浆挤密等连接方式;与底板间的连接,则采用预留杯形基础后灌浆的连接方式,其构造形式如图8所示。其中,杯底厚度应≥150mm,杯壁厚150~200mm。杯口基础混凝土初凝后终凝前将芯模取出,并将杯口内侧表面混凝土凿毛。柱插入杯口的深度h不应小于柱截面高度的1.0~1.2倍,且柱插入杯口部分的表面应尽量凿毛。柱与杯口之间的空隙,应用细石混凝土充填密实,其强度达到基础设计强度等级的70%以上时,方能进行上部吊装。



对于适用于车站暗挖法的方案2,由于受施工空间和吊装能力的限制,站台板拆分较细,连接接头较多,主要可归为两大类:①板与板之间的连接,包括预制块A和预制块B1,B2的连接;②板与墙、梁的连接。


对于板间的连接,采用企口式后浇带的连接方式,具体的构造措施如图9所示。预制块A和B搁置在主体结构底纵梁上,底纵梁表面凿毛处理,且凿毛凹凸深度≥6mm;预制块端部预留凹形企口,企口深度约30mm,且端面凿毛处理,其凿毛凹凸深度≥4mm;后浇带总长度为840mm;后浇带内两预制板钢筋的搭接长度取10d(钢筋直径)。当后浇带遇到主体结构中柱时,连接构造如图9b所示。预制站台板直接搁置在底纵梁上,板内钢筋在中柱粗糙面处直接截断,板端与柱间的缝隙约20mm,采用C40 CGM灌浆料封堵。



对于板与墙、梁的连接,则借鉴建筑结构中预制梁与柱牛腿的连接方式。预制站台板与现浇侧墙的连接构造如图10a所示,在侧墙内预埋22螺纹钢筋,同时在预制站台板的相应位置预留直径为40mm的孔洞,施工时,直接将预制站台板穿过预埋钢筋,并采用高强灌浆料对孔洞进行填充。预制站台板与梁的连接如图10b所示,在现浇梁内沿宽度方向预埋2排22螺纹钢筋,预制站台板内的预留孔洞直接穿过螺纹钢筋。为避免两预制块在安装时发生碰撞挤压,中间预留10mm缝隙,并采用柔性材料填充。同样,纵向预制站台板之间也留10mm空隙,防止现场拼装时预制板间挤压碰撞。



为确保预制站台板的正常使用,对公共区和设备区预制站台板的挠度和裂缝宽度进行了验算。根据预制站台板连接接头构造形式,偏于安全地认为板的边界条件为两端简支,且以跨度最大的预制块B2作为验算依据。不同厚度站台板的挠度和裂缝宽度如表1所示。



根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》要求,裂缝宽度不应超过0.3mm,挠度不应超过l/350(l为跨度)。预制块B2的跨度为3200mm,即允许挠度值约为9.1mm。对比表1可知,当公共区板厚取≥180mm,设备区板厚取200mm时能满足正常使用的裂缝宽度和挠度要求。另外,为了进一步减少预制站台板的模具,公共区和设备区的预制站台板厚度均取200mm,可使模具从12种规格减少至8种。


Part 04


预制站台板施工方案


合理的施工方案是保障装配式正常使用的前提。对于适用于车站明挖顺作法的方案1,受施工场地和吊装能力的限制小,其施工方案较简单,当车站主体底板及框架柱施工完成后,直接利用龙门式起重机将预制站台板吊装就位,插入底板上预留的杯口内即可完成安装。


对于适用于车站暗挖法的方案2,所有施工作业在车站内的封闭空间进行,运输及吊装空间有限。为达到施工要求和目的,综合设计方案和施工环境,最终确定如下施工流程。


1)主体结构施工的同时,工厂开始站台板预制。


2)预制站台板块运输至施工现场。


3)利用起重机将各预制块从车站预留吊装孔吊装至车站内部。


4)在站内利用改装叉车将各预制块运输就位。


5)以每20m为一段,先进行跨中站台板预制块B1和B2安装,再进行左右侧站台板预制块A安装,最后进行后浇带施工。


由于站内运输受到空间的限制,现有的设备并不能实现构件的运输和吊装。为方便进行站内运输、吊装,根据各预制块的质量和尺寸,本研究选取5t叉车进行改装,主要包括:①为实现吊装功能,在原来的叉车上增加吊臂;②为减少空气污染,对动力系统进行改装,将原来的燃油动力改为电动力。


相比于现浇方案,装配式方案可明显减少施工现场工人数,节约人工成本;施工工序更简洁,施工效率高,施工质量易控制;施工文明程度高,现场整洁。值得注意的是,由于装配式站台板需专门制作模具,当建设工程量较小时,其总成本相比于现浇方案并无优势,但当大范围使用装配式站台板时,构件拆分标准化,模具可反复使用,装配式方案具备明显的成本优势。


Part 05


结语


本文以北京地铁19号线一期工程新发地站为对象,探讨了装配式技术运用于站台板的可行性,提出了两种适用于不同车站施工方法的站台板装配式方案,重点分析了两种装配式方案的拆分设计、连接方法及施工方案,初步得到以下结论与建议。


1)为减少模板数量,使预制构件标准化,建议选取开洞较少的设备区和公共区的站台板作为预制对象。


2)对于采用明挖法施工的车站,由于受施工空间和吊装能力的限制小,可将站台板和侧墙视为整体,分成左右对称的2段。通过在底板预留杯口,实现站台板的快速拼装。


3)对于采用暗挖法施工的车站,将站台板沿横向拆分成4段,其尺寸和质量均可满足站内封闭空间的施工要求,且站台板的装配率约75%。企口式后浇带和插筋灌浆的连接形式,施工简便,受力合理,能使装配式站台板连成整体。


4)与现浇方案相比,装配式站台板方案能明显减少施工人数,提高施工效率和质量,同时也能提高现场施工文明程度。


Part 06


参考文献


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(编辑:奚雅青)


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