装配式车站结构纵向张拉力影响因素及控制研究

打印 0条评论来源：预制与预应力混凝土结构

摘要:装配式车站先后在长春、青岛、深圳等地得到了广泛应用，装配式车站的接缝宽度是决定其拼装质量及防水效果的重要因素。为了进一步提高装配式车站的拼装质量，更好地控制装配式车站的接缝宽度，以深圳地铁装配式车站设计方案为例，重点分析影响装配式车站纵向张拉力的影响因素及控制方法。分析结果表明：影响装配式车站纵向张拉力的因素主要有张拉点位的布置、弹性密封垫橡胶材料的硬度、构件与接触体的摩擦力以及张拉过程中构件的施工姿态。橡胶密封垫的硬度是纵向张拉力的主要影响因素，应根据橡胶密封垫的硬度采用不同的张拉力控制值，以达到接缝要求的控制宽度；纵向张拉点位对橡胶密封垫的压紧均匀程度影响较大，在长大构件中纵向张拉点位间距在4.3～6m之间，可有效控制沿纵向长度方向密封垫的压缩量差在1mm以内；侧墙构件以及拱顶构件在吊具没有完全卸载的情况下张拉，可有效减少构件平动对接触防水密封垫的影响，同时有利于构件张拉到位；通过对施工现场纵向张拉力的监测，每环的张拉力并非定值，多分布于295～310kN，侧墙、顶板构件的张拉力略大于底板构件的张拉力。

关键词:地铁；装配式车站；预制构件；结构刚度；弹性密封垫；纵向张拉力中图分类号:U231文献标志码:A 文章编号:1672-6073(2023)02-0026-08

装配式建造技术是建筑工程建造方式的重大变革，在我国地下工程领域，杨秀仁团队以长春地铁2号线实际工程为依托，在国内首次对明挖条件下的地铁车站预制装配技术进行了系统研发[1]。地下装配式结构防水是装配式车站非常重要的部分，而装配式结构接缝宽度决定了其防水效果，设计要求接缝在张开量一定的情况下，隧道不应有渗漏[2]，装配式车站的防水性能与结构接缝宽度关系密切[3]。因此，在施工过程中如何有效控制构件的接缝宽度，尤其在装配式建造工艺中纵向张拉力相比于盾构隧道千斤顶推力较小的情况下，研究装配式车站纵向张拉力的影响因素及其控制方法，对于指导现场施工以及控制构件拼装质量，均具有较为重要的意义。目前在装配式车站研究中，杨秀仁等[4-8]通过原型试验，揭示了注浆式榫槽接头的承载性能、弯曲抵抗作用特性；丁鹏等[9]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；吴成刚等[10]分析了装配式车站预制环框结构的受力模式及受力变形规律。目前，针对装配式车站结构对注浆式榫槽接头受力、标准环及附属结构受力的研究较多，而对施工过程中装配式车站纵向张拉力的研究较少，包括张拉位置的确定、张拉位置和结构的刚度关系、密封橡胶垫材料性能对张拉力的影响、张拉过程中构件的施工状态对张拉力的影响等方面关注度不足。本文以深圳地铁装配式车站设计方案为研究背景，分析影响装配式车站结构纵向张拉力的影响因素及控制方法，以期为后续装配式车站设计及施工提供参考。

1工程概况

1.1结构断面型式

深圳地铁装配式技术是基于连续墙+内支撑支护体系下研发的装配方案，在国内尚属首次[11]，目前已有2座车站建成封顶。

深圳地铁装配式车站方案是在长春地铁装配式方案基础上，结合深圳当地的建设条件进行了优化和调整。车站结构断面采用站厅无柱、站台有柱的拱顶直墙断面型式。结构总宽度22.3m，结构总高度17.35m。装配式车站分块为：外围结构顶板、底板各1块，侧墙2块。内部中板、中纵梁以及中柱均采用预制构件。装配式车站结构横断面如图1所示。

1.2车站接缝构造

装配式车站环向构件间采用注浆式双榫长接头型式，结构构造主要有凹凸榫槽、防水密封垫、接缝灌浆、定位销以及外部连接钢棒5部分。装配式车站环与环之间的连接采用注浆式单榫短接头型式，结构构造同环向接头的主要区别是没有外部连接钢棒。车站纵环缝注浆式榫槽接头如图2所示。

注浆式榫槽接头设置两道防水密封垫，防水密封垫采用三元乙丙橡胶，该材料在盾构隧道中得到了较为广泛的应用[12]，其防水性能及耐久性均得到了较好验证，应用于装配式车站结构，其防水性能也进行了深入的研究[3]。在两道密封垫之间的凹凸榫槽接缝采用石英粉改性环氧树脂充填，起到传递荷载和防水的作用。接缝防水的主要原理是通过构件之间的连接压力，将防水密封垫压紧，密封垫之间形成较大的接触应力，以抵抗外部水头压力。装配式车站环内接头由于结构自重以及后期的水土荷载可以实现环向接头密封垫的压紧密封，但构件环与环之间的橡胶密封垫需要通过施加外力来确保橡胶垫的密封性。

装配式车站防水密封垫迎水面密封垫底部宽度 40 mm，顶部宽度 45 mm，密封垫嵌入深度 8 mm；背水面密封垫底部宽度 42 mm，顶部宽度 50 mm，密封垫嵌入深度 9 mm，接头接缝防水密封垫的布置方式如图 3 所示.

三元乙丙橡胶密封垫为多孔结构，在密封垫压缩过程中，密封垫产生较大的变形，使得密封垫表面的凹凸不能够完全接触，并且在橡胶垫弹性反力作用下橡胶垫接缝处产生较大的接触应力，阻止地下水在密封垫间隙中渗流，达到密封防水的目的。装配式车站密封橡胶垫型式如图4所示。

1.3纵向张拉点布置

装配式车站结构环与环之间构件的连接通过纵向张拉钢棒施加预紧力，张拉钢棒的布置如图5所示。其中底板构件设置7个张拉点，侧墙构件设置3个张拉点，顶板构件设置5个张拉点，张拉点间距在4.3～6m之间。张拉点的布置应重点考虑构件在张拉过程中防水密封垫均能得到有效的压缩，并能达到设计所要求的密封状态。橡胶密封垫压缩限值及环与环之间的接缝宽度设计值需考虑预制构件制作误差所引起的构件在纵向的不平整度。为了确保装配式车站在接缝张开10mm工况下，防水密封条具有很好的防水性能，预制构件不平整度限值为2mm，为保证车站拼装完成后的防水效果，要求装配式车站拼装完成后接缝宽度不超过7mm。

2影响张拉力的因素分析

2.1构件拼装过程分析

研究装配式车站结构的纵向张拉力控制，首先分析各个构件在张拉过程中的主要步序及构件状态。

2.1.1底板构件拼装过程分析

底板构件在构件底部存在3道精平条带，分别位于底板两侧平台及中部位置，宽1.5m，精平条带比两侧底板垫层高2cm，精平条带为混凝土基面，在张拉过程中构件和精平条带之间存在较大摩擦力。构件在底板平移过程中千斤顶拉力的监测值如图6所示，可知其构件单点的张拉力在170～250kN，位于精平条带位置的张拉点A2、A4、A6的张拉力相对较大。结合施工过程中张拉力的监测，在构件张拉平移过程中的张拉力同构件平移速度有关，同时为避免构件出现掉块的情况，需控制构件平移速度，同时张拉点位应按设计要求使各个张拉点均匀受力，避免单个点受力过大而引起构件与精平条带间摩阻力过大。

在底板构件张拉压紧密封垫的阶段应计入摩擦力的影响，同时在压缩密封条的过程中密封条的弹性反力对张拉力也存在较大影响。底板构件拼装过程主要为构件在精平条带上的平动，精平条带的精度决定了构件的错台量。拼装过程中密封垫仅有垂直表面的压力，没有沿密封垫表面的水平及垂直错动。

2.1.2侧墙构件拼装过程分析

侧墙构件吊装过程中由于存在纵向的凹凸榫槽，侧墙构件不能一次就位，为了减少底板和侧墙构件纵向密封垫在上下接触状态下的平移距离，需要在吊装工况下将后一环构件凸榫嵌入到前一环的凹榫中。由于仅通过吊装无法实现侧墙密封条的压紧，需在构件基本到位后，侧墙块及底板块密封垫基本密贴于基础上，通过内部拼装台车的支顶，调整侧墙构件的垂直度，达到设计要求后，进行侧墙预制构件的纵向张拉，纵向张拉的行程在2～2.5cm。为避免底板构件和侧墙构件接缝处橡胶密封垫在有压状态下张拉使其与构件撕裂，需在橡胶密封垫涂抹润滑剂减少阻力；同时吊装过程中，吊绳的拉力不完全卸载，可有效减少张拉过程中的摩阻力。侧墙块吊装过程如图7所示。

2.1.3顶板构件拼装过程分析

顶板构件吊装过程中，由于纵向凹凸榫的存在，顶板构件不能直接安装在侧墙上进行张拉。需要在吊装工况下，顶板结构的凸榫部分进入前一环的凹榫中。在此就位过程中，应考虑前一环顶板构件安装完成的变形值，同时应考虑顶板预制构件在吊装过程中的几何状态。顶板构件下部同侧墙顶部密封垫密贴，然后进行构件水平方向的错台调整，满足要求后方可进行张拉，构件张拉行程在2～3cm。张拉过程中同侧墙构件一样，应采取有效措施减少密封垫的摩阻力。顶板构件吊装示意如图8所示。

2.2密封垫压缩受力模式分

2.2.1受力特点分析

针对密封垫的压缩性能，本文进行过较多的橡胶密封垫的压缩荷载试验，主要采用一小段橡胶密封垫，并应用专门的试验装置，针对不同的错台量及接缝张开量进行相关防水试验。试验中构件形状规则，荷载影响因素较少，荷载作用位置较为明确。而实际工程中，尤其是地下装配式构件中，密封垫设置在预制构件的内外两侧，沿预制构件四周布置，并且在构件支座位置密封垫形状较为复杂。

在纵向张拉力的作用下，密封垫存在反力，进而达到被压缩的目的。由于动态张拉过程中环与环之间接缝的宽度不能完全保持一致，构件存在不平整现象，使得张拉荷载的合力形心位置不能与密封垫的反力形心位置重合，即张拉力的位置不完全位于构件形心处，预制构件不是完全的刚性结构。此外，预制构件周边存在摩阻力，且构件的姿态存在变化等因素，将导致密封垫的压缩程度不完全相同，使密封垫受力较为复杂。底板预制构件张拉工况下橡胶密封垫对构件的弹性反力示意如图9所示。从密封垫的受力示意可知，受力过程中密封垫的材料性质以及施加张拉力的位置，是张拉荷载主要的影响因素。

2.2.2有限元模型

由于弹性密封垫的受力变形较为复杂，影响因素较多，为探明密封垫在纵向拉力作用下整体的变形情况，按照图4中密封垫的设计方案，使用ABAQUS有限元软件建立预制构件及密封垫受力计算模型。为了更好地反映密封垫受力的变化规律，将模型进行简化，模拟两环预制构件及构件间的橡胶密封垫。预制构件底部设置竖向约束，左右边界设置水平约束，第二环后边界设置纵向约束。预制构件及密封垫材料均采用线弹性材料，混凝土预制构件及密封垫采用C3D8R实体单元进行模拟，弹性橡胶密封垫和混凝土预制构件之间设置绑定(TIE)连接。在前一环的张拉点施加预紧力，初始施加荷载根据弹性密封垫的每延米压缩荷载值及张拉范围密封垫的长度初步确定。有限元计算模型如图10所示。

2.3密封垫材料的影响

用于装配式车站的防水密封垫为碳黑充填橡胶，该橡胶以三元乙丙橡胶为基本胶种，通过加入碳黑、阻化剂等材料炼化制得。目前在密封橡胶垫有限元模拟中Mooney-Rivlin模型较为普遍，根据文献[13]，针对不同硬度的橡胶采用不同的力学计算参数如表1所示。

针对现有设计方案，单个张拉点施加荷载280kN，采用不同的橡胶材料分析该工况下的接缝宽度。

底板张拉点布置见图5所示A1～A7点，在该荷载工况下材料1的计算结果表明：底板结构两侧接缝宽度8.0mm，中间点位置接缝宽度最大8.35mm，两者相差较小，主要原因在于A1点和A2点以及A6点和A7点的竖向间距较小，在该位置荷载作用力较大，引起密封垫的较大压缩。

通过对不同材料的计算结果分析表明，随着橡胶密封垫硬度的减小，橡胶密封垫压缩量逐渐增加。橡胶硬度为70SHA时，接缝最大宽度8.35mm；橡胶硬度为65SHA时，接缝最大宽度7.07mm；橡胶硬度为60SHA时，接缝最大宽度5.5mm。底板结构橡胶密封垫位置的接缝宽度曲线如图11所示。

2.4构件张拉点设置的影响

预制构件通过设置的纵向张拉钢棒进行张拉，压紧密封垫。由于结构构件为弧形，且在支座的位置结构形状较为复杂，迎水面和背水面橡胶密封垫存在弧形和直线形的组合，张拉点的设置需确保内外侧密封条都能达到相同的压紧程度。为此，对张拉点位的设置进行研究，以探求用较少的纵向张拉点位达到压紧密封垫的效果。

以底板构件为例分别研究2、4、5、7个张拉点位时的接缝宽度，主要点位工况如表2所示。

通过计算表明，在工况1、2中，4个张拉点位的整体接缝较2个张拉点位的荷载小。从图12中可以看出，两种工况中接缝的变形曲线形状基本类似，在构件两侧的位置接缝较小，在7.7mm左右，而在构件跨中的位置接缝宽度在11mm左右，主要原因在于4个张拉点位工况中A1、A2、A6及A7点位置均位于预制构件两侧，对预制构件整体线刚度影响不大，故在预制构件中部的位置对接缝密封条的压缩较小，产生中部和端部的变形差，接缝宽度差值达3mm左右。通常预制构件平整度精度在2mm左右，不利情况将会导致接缝宽度超过10mm，不满足车站结构防水要求。同时张拉点位较少时，需要采用较大的张拉力才能将张拉点的接缝宽度控制在6～7mm的范围，张拉力过大不利于现场的施工控制。

鉴于工况1、2的计算结果，增加张拉点A4以及A3、A5进行不同工况的计算，计算结果表明增加A4张拉点后，预制构件的接缝宽度得到很好的改善，接缝宽度最大值同最小值之间差距仅为0.9mm，综合防水试验的接缝张开量的数值，满足车站结构防水要求[14]。而在工况4中由于张拉点布置的增加，整个接缝的宽度更为均匀，接缝宽度差仅为0.3mm。各工况关键点接缝宽度值如表3所示。

通过上述分析表明：底板构件5个张拉点的方案可满足接缝控制要求。7个张拉点可更加有效地控制单个张拉点的张拉力，且更为均匀地控制接缝宽度，使得防水效果更好。

2.5张拉过程构件状态的影响

根据2.1节的构件拼装过程分析可知，顶板构件和侧墙构件在拼装过程中均存在构件密封垫密贴工况下的纵向行程，为减少纵向张拉过程中对粘贴密封垫的影响，同时减少拼装构件由于密封垫的拉长导致构件后侧角部密封垫的隆起，影响后面构件的拼装以及角部的防水，可以在构件凹凸顺槽设计中，通过构件的多次就位(见图7和图8)，减少密封垫接触工况下的行程。

密封垫接触面荷载主要为预制构件的自重，为减少预制构件吊装过程中的摩阻力，在构件张拉过程中，需使预制构件处于吊装工况下，则此时仅有部分自重通过接缝密封垫传力产生摩阻力。在施工过程中统计的数据表明，侧墙吊装过程中吊绳的荷载在200kN左右，为结构自重的50%左右，顶板构件张拉过程中吊绳的荷载在800kN左右，为结构自重的60%左右。在此基础上，还可以通过在接缝密封垫上涂刷润滑剂来减少摩擦力，进而减少对密封垫的影响。

3施工张拉力监测分析

在预制构件拼装过程中以接缝宽度为目标来控制纵向张拉力的大小，根据文献[14]要求，预制构件环缝宽度不大于7mm，现场环缝基本控制在5～7mm，在此基础上对装配式车站拼装过程中纵向张拉力进行分析。

选取9个整环的张拉力值进行分析，其预紧力分布图如图14所示。其中横轴1～7点为底板张拉力，8～13点为侧墙张拉力，14～19点为顶板张拉力。从张拉力分布图中看出每环的张拉力具有一定的离散性，但其离散的范围相差不大。底板块的张拉力主要在295kN左右，而顶板和侧墙块的张拉力主要在305kN左右。底板构件的点位相对较多，虽然底板构件同精平条带之间有一定的摩擦力，但是压紧张拉的行程较短，并且预制构件支撑在精平条带上，摩阻力的影响并不太大。

图15显示了底板、侧墙、顶板构件纵向张拉力的分布。底板构件的张拉力分布较为集中，其中底板构件张拉力主要在290～305kN之间，个别点张拉力达到315kN。侧墙构件和顶板构件的张拉力离散性相对较大，主要在295～315kN之间，仅侧墙构件个别点张拉力较小，为290kN。

通过现场张拉力的监测值可知，将张拉力控制在一定范围，构件的接缝宽度可以达到设计要求的限制，但是在同一构件或者整环中其接缝宽度存在一定的差异，但是此差异值较小，基本小于1mm。为了更好地控制装配式车站的接缝宽度，下阶段可考虑基于接缝宽度精确控制的张拉方式，在张拉过程中实时监测接缝的宽度，并设定基准值，根据监测结果调整单个张拉点的预紧力，这样可使整环构件的接缝宽度更趋一致。

4结论

通过对装配式车站结构构件纵向张拉过程的分析，可得出以下结论：

1)装配式车站结构环缝的宽度同张拉力的大小密切相关，影响张拉力的因素主要有：橡胶密封垫的材料性能、构件纵向张拉点的数量及位置、拼装过程中构件接触面的摩阻力及构件的姿态。

2)针对长大预制构件，虽然构件刚度较大，但由于在构件两端设置张拉点时接缝宽度差较大，不利于结构防水。若适当增加预制构件的张拉点，可有效控制构件接缝的宽度差，根据计算结果，张拉点间距在4.3～6m之间可确保接缝宽度的均一性。

3)预制构件拼装过程中应通过对构件拼装过程的优化减少构件拼装过程中的侧摩阻力，避免密封垫的接触张拉对密封垫产生挤出、鼓起的现象，尤其针对顶板及侧墙构件的拼装，可通过吊绳不完全卸载的方式进行张拉，也有利于接缝宽度的控制。

4)拼装过程中以接缝宽度为控制目标的底板结构张拉力主要在290～305kN之间，顶板、侧墙构件张拉力主要在295～315kN。

5)下阶段可考虑基于接缝宽度精确限制值的张拉方式，在张拉过程中实时监测接缝宽度，根据监测结果调整单个张拉点的张拉力，以便使预制车站结构的接缝宽度更趋精确。

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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

（责任编辑：何雯丽）