地鐵車輛段裝配式結構形式研究*

張宏亮，高 耀，李志強，尹 俊

(中鐵建工集團第五建設有限公司，廣東 廣州 511400)

0 引言

目前國內裝配式混凝土框架結構技術已有廣泛應用，但大多數裝配式構件安裝技術僅限于單一的房建工程或鐵路、市政橋梁工程，在地鐵車輛段尚未有成熟的裝配式結構應用。目前裝配式結構應用較為廣泛的方向偏于結構形式單一、點面較小的住宅類或公寓類工程，或是偏于呈線性的橋梁工程，此類工程有適于裝配式結構應用的良好條件。但在面廣非線性的工程中，傳統裝配式結構形式往往不適用，相應的構件、構造節點、抗震性能達不到要求，或是沒有相應技術標準。然而非線性和占地廣的項目數量較多，如廠房類工程，地鐵車輛段和停車場等綜合性建筑，在此類建筑類型中研究裝配式結構的可行性和應用有較好的前景，也十分必要[1-2]。

1 工程概況

廣州地鐵11號線全長約44.2km，全部采用地下敷設方式，全線共設車站32座，赤沙車輛段1座，主變電站3 座。11號線為廣州市中心環線，也是廣州地鐵首條環線，基本環繞廣州中心城區。全線僅設置1座車輛段，兼顧“車輛段+停車場”功能。

赤沙車輛段為廣州地鐵11號線的配套站后設施，主要用于11號線的列車停車與檢修。車輛段設計占地面積29.4萬m2，設計建筑面積為36.2萬m2，停車檢修共90列位。原設計地下及地上各1層，結構形式為現澆混凝土結構。為縮短建設周期以及推動裝配式結構在地鐵建筑中的快速發展，計劃以本車輛段工程為試點，對地鐵車輛段建筑進行裝配式結構可行性研究和探索。

2 裝配式方案研究

目前裝配式主要分為房建裝配式和公路鐵路橋梁裝配式。房建裝配式集中在住宅和公寓，包括水平結構的疊合樓板、豎向結構墻體、樓梯、門窗、外墻板等。公路鐵路橋梁裝配式則集中在裝配式箱梁、裝配式墩臺等[3-4]。

2.1 房建裝配式形式

傳統房建方案以常規施工順序為基礎，采用現澆混凝土疊合梁+雙T板，通過梁側板與樓層板整體預制，兼作梁側模，為現澆混凝土模板提供必要的支撐，取消施工臨時支撐。房建裝配式結構形式主要以小構件、輕型構件為主，如混凝土預制疊合梁、疊合板等。此類結構形式工藝成熟，施工速度快、效率高。但對于車輛段大跨度結構以及涉及預留的上蓋物業開發結構，疊合梁板等結構受力性能遠不能滿足要求。

因房建常用裝配式構造及節點對于本工程大荷載大跨度結構形式以及涉及預留的上蓋物業開發結構適用性不足，傳統房建裝配式對地鐵車輛段類建筑可行性不足。

2.2 橋梁裝配式形式

針對車輛段重載的特征，公路鐵路橋梁裝配式比較接近。引入橋梁設計預制理念，將地鐵車輛段劃分為若干條“線狀橋梁”結構，采用箱梁構件，解決重載問題。采用預應力體系，參照大跨橋梁結構，預制構件引入預應力，解決大跨度問題。

橋梁裝配式可以很好地解決車輛段的“重載+大跨度”問題，但橋梁裝配式豎向結構墩柱過于密集，無法解決車場“大空間”問題。

2.3 初步確定裝配式形式

蓋板水平結構仍采用橋梁裝配式的“簡支箱梁+預應力”結構體系，而柱墻等豎向結構采用房建類“預制墻柱構件”形式。該裝配式結構形式裝配率可達75%，采用傳統輪胎式架梁機等裝備也能滿足施工需求。初步確定的裝配式結構形式如圖1所示。

圖1 初步確定的裝配式結構形式

2.4 初步確定的裝配式結構問題分析

初步確定的裝配式結構需解決以下結構安全和超限設計問題。

1)梁柱節點的可靠性 箱梁與現澆柱節點連接和嵌固錨固的可靠性有待進一步驗證。

2)結構抗震性能的安全性 該結構為非常規建筑結構體系，抗震的屈服機制和安全性需校正。

3)超限設計審查 該新型結構體系超出現有規范結構體系設計范圍。

4)面臨的梁柱節點問題主要表現在抗震作用下的受力可靠性問題，如圖2所示意。

圖2 梁柱節點

在明確初步確定的裝配式方案后，結構設計單位進行相關結構計算，并提交多輪高級別專家評審及結構超限預審查，明確了“豎向墩柱構件調整為現澆結構，縱橫梁柱節點結構調整為現澆結構、增加面層疊合混凝土現澆”的大幅修改原則。

同時明確在此基礎上進行節點力學性能、1∶10振動臺、1∶1試驗段建設驗證等相關試驗，取得試驗數據后開展施工圖設計。

2.5 梁柱節點試驗驗證

節點設計受力和構造相對較為復雜，通過節點模型試驗驗證梁柱節點的可靠性，主要考察驗證靜力荷載下的傳力機理、變形性態與承載性能。

為考察節點在靜力荷載下的傳力機理、變形性態與承載性能以及在低周往復荷載作用下的抗震性能與滯回特性，包括破壞過程、失效模式、極限承載力、延性特征和耗能能力等，驗證結構設計中的數值計算結果，保證結構安全性，進行關鍵節點的結構試驗。

通過模型試驗，發現節點受力存在缺陷，經過綜合優化，原節點裝配連接方案改為后澆方案，外墻板等豎向裝配同時改為現澆方案。

2.6 振動臺試驗驗證

為明確結構的薄弱部位，研究上蓋物業建筑剛度突變、豎向構件轉換、扭轉等對結構抗震性能影響的規律，驗證設計方案，進行了振動臺試驗，模型采用1∶10 縮尺比例，檢驗結構在地震動作用下的整體動力響應和轉換層抗震性能以及超限高度的地鐵上蓋高層建筑結構的抗震性能。

試驗方案采用相似設計理念，從幾何性能、材料性能、模型、荷載、動力等方面設計試驗，相關參數如表1和表2所示。

表1 試驗方案相似設計1

表2 試驗方案相似設計2

地震工況設計中，試驗中臺面振動激勵方式采用天然波和人工波兩種分別進行，如表3所示。

表3 地震工況設計

結構地震反應與震害結果如下。

1)7度多遇地震作用下 自振頻率基本不變；試驗y向、x向最大層間位移角分別為1/909，1/980，小于廣東省標準DJB15—92—2013《高層建筑混凝土結構技術規程》中限值(1/800)，滿足規程要求，無明顯可見裂縫、變形等破壞。結構基本處于彈性狀態，基本滿足小震不壞的抗震要求。

2)7度設防地震作用下y向和x向自振頻率下降10%左右；柱中、柱牛腿平臺和預制梁段均產生微裂縫。模型結構已進入彈塑性階段，滿足中震可修的抗震要求。

3)7度罕遇地震作用下y向和x向自振頻率下降25%左右；柱中、柱牛腿平臺和預制梁段均產生明顯裂縫，剪力墻連梁產生多條豎向微裂縫；y向、x向最大層間位移角1/235，1/250，未超出限值(1/120)，滿足大震不倒的抗震要求。

此結構形式經振動臺試驗，抗震性能指標基本滿足安全要求。經過節點試驗和振動臺試驗，進行相關優化和改進，此新型裝配式結構體系亦通過了超限設計審查。

2.7 試驗段工藝驗證

試驗段主要從以下4個方面進行驗證：箱梁構件制作工藝驗證、架梁工藝、連接節點施工、施工工效驗證。

1)檢驗可實施性 采用試驗段形式對設計可實施性進行驗證，對柱體、制梁、濕接縫和鋪裝層的工藝進行驗證和改進。同時，確定合理優化的施工架設設備。

2)驗證和改進施工工藝 預制構件的制作工藝、混凝土施工條件、方法及技術要求，確定合理的預制構件制作工藝。

3)預制構件共計39件，其中箱梁27件，縱梁12件。預制構件尺寸按 1∶1 比例，如圖3所示。

圖3 工藝試驗段預制構件尺寸

2.8 最終裝配式結構形式

經過多輪專家審查和相關試驗以及深化設計，最終確定了車輛段的裝配式結構形式如下。

1)車輛段采用裝配式方式代替現澆，形成地鐵車輛段裝配式結構體系。

2)蓋板水平結構采用簡支箱梁+預應力體系結構；柱墻等豎向結構采用房建體系現澆結構。最終裝配式結構形式如圖4所示。

圖4 最終裝配式結構形式

3 關鍵節點和構造研究

關鍵節點主要有梁柱相交節點，在類似地鐵車輛段工程中，梁柱構件含鋼量較高，柱構件和梁構件均幾乎滿布鋼筋。梁構件和柱構件的節點構造和連接對整體抗震性能和后續施工實施有很大的影響。梁柱節點的難點：①在滿足抗震要求下，梁柱節點連接可靠性問題以及滿布鋼筋科學合理連接問題；②梁構件與梁構件之間連接的可靠性問題以及縱梁和橫梁與柱碰撞性問題。

為解決以上問題，對梁柱構造節點進行分析和工藝試驗。

1)梁與柱節點 柱體采用現澆方式，預留豎向鋼筋，在主體上設置豎向牛腿，增加梁構件與柱構件的擱置接觸面積，增加抗震性能，同時又有利于解決梁構件鋼筋與柱構件鋼筋密集碰撞問題，如圖5所示。

圖5 典型梁柱節點

2)梁與梁節點 引入濕接縫+疊合面層設計，既能解決相鄰梁體之間的連接可靠性問題，又能加強縱橫梁抗震性能和結構的整體性，如圖6所示。

圖6 梁與梁節點連接

4 結構體系技術經濟效益分析

地鐵車輛段裝配式結構體系屬于新型結構體系，既滿足地鐵公共建筑重載的功能性需求，又適于工業化生產。由于構件的預制化生產，可以把施工現場大量的重復性工作利用高度機械化和自動化的預制生產線進行工業化生產，構件制作工時占總工時的65%，安裝占20%～25%，運輸占10%～15%，可以很大程度縮短建設周期，有利于快速推進地鐵等基礎設施建設。廣州地鐵11號線赤沙車輛段的建設周期原定為36個月，經過分析和論證，裝配式結構體系建設周期可壓縮至28個月，整體工期縮短25%。

在具體建設實施過程中，裝配式結構相比于傳統現澆結構可節約大量支模支架體系。與傳統現澆建造方式相比，地鐵裝配式結構基本上無需模板支架和支撐龍骨，支模模板和鋼管支架可節省95%，同時工廠化施工減少了鋼筋廢料的產生，減少了養護用水和現澆混凝土泵車及罐車沖洗用水，由于裝配式項目涉及較多的構件吊裝，施工耗電量沒有顯著降低。

5 結語

最終確定的裝配式結構，結構安全和超限設計問題基本上得到解決，但施工裝備、架梁設備選型上出現新的難題。車輛段裝配形式為縱橫雙向而非線性，與常規房建和橋梁裝配式相差較大，同時存在現澆作業以及蓋板面現澆疊合層作業，傳統架橋機、門式起重機不能很好滿足施工架設要求，是后續施工需進一步解決的難題。