城市軌道交通車站基坑裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土支撐設(shè)計研究

黃銳，王彥杰（.上海隧道工程有限公司市政公用工程設(shè)計研究院，上海 0003；.上海隧道工程有限公司，上海0003）

0 引 言

隨著城市化的持續(xù)發(fā)展，城市軌道交通的規(guī)劃和建設(shè)力度也不斷加大。但城市軌道交通車站基坑的施工難度卻越來越大，主要表現(xiàn)為施工場地空間越來越狹小、工期要求越來越緊迫、周邊變形沉降控制要求越來越苛刻、可持續(xù)發(fā)展及成本控制要求越來越嚴格等。這些都給城市軌道交通基坑施工提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土支撐，由于其材料、截面特性及連接構(gòu)造，具有剛度大、控制變形好、整體受力好及對大跨度和異形基坑適應(yīng)性強等特點，因而廣受青睞。但同時也因以下缺點常被詬病。

（1）自重大。隨著基坑跨度加大，支撐長度和截面也越大，自身重量也隨之增大，往往一根支撐平均重達三四十噸，從而給后期拆除和外運增加了難度和成本。另外，當支撐跨度較大時，還要設(shè)置中間立柱減小跨度以降低自重變形。

（2）無法重復(fù)利用。混凝土支撐由于其自身特性，基坑施工結(jié)束后只能原位破除，無法重復(fù)利用，成為建筑垃圾。相較于鋼支撐，這一點不符合可持續(xù)發(fā)展及成本控制的理念。

（3）養(yǎng)護周期長。現(xiàn)澆混凝土支撐無法立即投入使用，需要較長的養(yǎng)護周期方可達到設(shè)計強度，在此之前無法進行下一步基坑施工作業(yè)。

城市軌道交通車站基坑跨度（標準段）一般為19～23 m。根據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》，基坑支撐跨度較大時，須設(shè)置中間立柱以減小其計算跨度，增加穩(wěn)定性，混凝土支撐單跨長度≤15 m。根據(jù)DG/TJ08－61－2018《基坑工程技術(shù)標準》第10.2.11節(jié)相關(guān)規(guī)定，混凝土支撐豎向撓度宜小于計算跨度的1/800～1/600，偏心距不宜小于支撐計算長度的1/1 000且不小于20 mm。

基于此，提出裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土支撐設(shè)計，旨在利用混凝土支撐優(yōu)點的同時，對其不足之處進行創(chuàng)新式的改進設(shè)計。城市軌道交通車站具有一定程度的標準化，將混凝土支撐進行分段標準化設(shè)計，采用“工廠預(yù)制＋現(xiàn)場安裝”的方式，將各支撐節(jié)段利用后張法工藝拼裝成整根預(yù)應(yīng)力支撐梁，然后將支撐梁兩端與基坑圍檁進行整體現(xiàn)澆，即形成裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土支撐。本文依托具體工程案例，闡述城市軌道交通車站基坑裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土支撐設(shè)計。

1 預(yù)應(yīng)力梁設(shè)計方案的提出

本研究依托工程為上海市軌道交通世博大道站主體基坑工程。世博大道站車站總長184.2 m，標準段基坑寬度約23.1 m，坑深32.5 m，設(shè)置第一、四、六道為混凝土支撐和第二、三、五、七、八道為鋼支撐，支撐中間設(shè)置單立柱。

擬選取首道某根混凝土支撐作為試驗對象，替換為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土支撐，支撐梁全長為21.9 m，分2段預(yù)制，預(yù)制梁中間接頭采用法蘭盤連接，兩端頭與基坑圍檁采用現(xiàn)澆接頭連接。裝配的預(yù)制梁采用后張法張拉，通過預(yù)應(yīng)力張拉，使梁的受拉區(qū)提前預(yù)壓，在使用過程中會抵消因自重產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而使構(gòu)件的抗拉強度得以提高。施加預(yù)應(yīng)力時構(gòu)件會出現(xiàn)反拱，這樣在自重及施工活載作用時會減小撓度，進而可以取消設(shè)置中間立柱，適應(yīng)更大的跨度。

2 預(yù)應(yīng)力支撐梁截面設(shè)計

本次試驗段的主要目的是在確保基坑安全的前提下，驗證裝配式預(yù)應(yīng)力支撐梁接頭連接的可靠性、梁的受力變形特性。梁截面尺寸為1 000 mm×900 mm，跨度為23.1 m，梁頂施工活載取4 kPa。考慮到梁接頭的連接效果、施工質(zhì)量及取消立柱后跨度的增大等因素，本次支撐梁分別按普通混凝土構(gòu)件計算配筋和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件計算配筋進行設(shè)計。

2.1 普通混凝土構(gòu)件計算

按普通混凝土構(gòu)件計算時，先按純彎構(gòu)件計算內(nèi)力如下。

基坑圍護首道支撐軸力為3 366 kN；根據(jù)DG/TJ 08-61—2018《基坑工程技術(shù)標準》，偏心距eo取Max[L/1 000，20]，則eo＝23.1 mm。因此，附加彎矩Me＝3 366×23.1/1 000＝78 kN·m。

實際配筋：支座為10D28 mm，跨中為10D18 mm，箍筋為d12 mm@100 mm（150 mm）。

2.2 預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件計算

裝配式預(yù)應(yīng)力梁兩端與基坑圍檁（冠梁）的連接采用現(xiàn)澆接頭處理，故裝配式預(yù)應(yīng)力梁實際全長為21.9 m，單根節(jié)段梁長度為10.95 m，兩端設(shè)置450 mm×400 mm企口，梁內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，空心段長度為8.55 mm，尺寸為500 mm×430 mm，空心率為18.6%。支撐梁簡化為簡支梁結(jié)構(gòu)進行計算，在端頭施加附加彎矩78 kN·m。

2.2.1 正常使用極限驗算

（1）正截面抗裂驗算。縱梁上、下緣在持久狀況荷載短期荷載效應(yīng)組合作用下的正應(yīng)力計算結(jié)果，如圖1、圖2所示。根據(jù)JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱“《規(guī)范》”）第6.3.1條，對全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在作用短期效應(yīng)組合下，不得出現(xiàn)拉應(yīng)力。計算表明，在作用短期效應(yīng)組合下，支撐梁截面上、下緣均沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為11.31 MPa，滿足《規(guī)范》要求。

圖1 縱梁作用短期效應(yīng)組合下最大正應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖2 縱梁作用短期效應(yīng)組合下最小正應(yīng)力圖（單位：MPa）

（2）斜截面抗裂驗算。縱梁短期效應(yīng)組合下的主拉應(yīng)力計算結(jié)果，如圖3所示。根據(jù)《規(guī)范》第6.3.1條，對全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在作用短期效應(yīng)組合下，預(yù)制構(gòu)件主拉應(yīng)力不得大于0.6ftk＝0.6×2.65＝1.59 MPa。由圖3可知，作用短期效應(yīng)組合下，最大主拉應(yīng)力為0.35 MPa，滿足《規(guī)范》要求。

圖3 縱梁作用短期效應(yīng)組合下主拉應(yīng)力圖（單位：MPa）

（3）縱梁持久狀況下標準正應(yīng)力驗算。縱梁在荷載標準組合作用下上、下緣的正應(yīng)力計算結(jié)果，如圖4所示。根據(jù)《規(guī)范》第7.1.5條，預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在荷載標準組合下，受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力不得大于0.5fck＝0.5×32.4＝16.2 MPa。計算表明，縱梁上緣最大壓應(yīng)力為11.66 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為9.83 MPa，均滿足《規(guī)范》要求。

圖4 縱梁標準組合下縱梁最大正應(yīng)力圖（單位：MPa）

（4）縱梁持久狀況標準主壓應(yīng)力驗算。縱梁在持久狀況荷載標準組合作用下的主壓應(yīng)力計算結(jié)果，如圖5所示。

圖5 縱梁標準組合下縱梁最大主壓應(yīng)力圖（單位：MPa）

2.2.2 承載能力極限狀態(tài)驗算

（1）基本組合下最大內(nèi)力與最大抗力，如圖6所示。由圖6結(jié)果可知，4 586.55 kN·m＞2 088.93 kN·m，結(jié)構(gòu)抗力均大于結(jié)構(gòu)內(nèi)力，極限承載力滿足要求。

圖6 基本組合下最大內(nèi)力與最大抗力（單位：kN·m）

（2）基本組合下最小內(nèi)力與最小抗力，如圖7所示。由圖7結(jié)果可知，4 596.55 kN·m＞1 740.77 kN·m，結(jié)構(gòu)抗力均大于結(jié)構(gòu)內(nèi)力，極限承載力滿足要求。

圖7 基本組合下最小內(nèi)力與最小抗力圖（單位：kN·m）

2.2.3 結(jié)構(gòu)撓度驗算

結(jié)構(gòu)位移，如圖8所示。按照《規(guī)范》第6.5.3條規(guī)定，結(jié)構(gòu)長期撓度值須控制在L/600以內(nèi)。根據(jù)計算結(jié)果，跨中位置最大撓度值為2 mm，《規(guī)范》要求限值為跨中38.5 mm，故結(jié)構(gòu)撓度滿足規(guī)定。

圖8 結(jié)構(gòu)位移圖（單位：m）

根據(jù)上文計算結(jié)果，預(yù)應(yīng)力混凝土梁構(gòu)件截面及配束設(shè)計如圖9所示，鋼束選型如表1所示。

表1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁鋼束選型表

圖9 預(yù)應(yīng)力混凝土梁構(gòu)件截面及配束設(shè)計圖

根據(jù)混凝土構(gòu)件和預(yù)應(yīng)力混凝土梁構(gòu)件結(jié)果，裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土梁截面設(shè)計，如圖10所示。

圖10 預(yù)應(yīng)力混凝土梁截面配筋及鋼束布置圖

3 節(jié)點設(shè)計方案

3.1 節(jié)段梁間連接節(jié)點

2根節(jié)段梁拼接處端部各設(shè)置一塊1 200 mm×1 100 mm鋼板，厚度為30 mm。鋼板與梁內(nèi)鋼筋（上下排主筋及兩側(cè)構(gòu)造筋）采用穿孔塞焊連接，鋼板內(nèi)預(yù)留預(yù)應(yīng)力波紋管穿孔和螺栓穿孔。兩端鋼板采用22根10.9級M24高強螺栓。預(yù)應(yīng)力混凝土梁法蘭連接節(jié)點設(shè)計，如圖11所示；現(xiàn)場效果圖，如圖12所示。

圖11 預(yù)應(yīng)力混凝土梁法蘭連接節(jié)點設(shè)計圖

圖12 預(yù)應(yīng)力混凝土梁法蘭連接節(jié)點現(xiàn)場效果圖

法蘭接頭主要承受基坑圍護水平軸力、支撐自重及施工活載產(chǎn)生的彎矩。彎拉（壓）共同作用時，法蘭盤單個螺栓拉力計算如下：

式中：n——有效螺栓計算個數(shù)；

M——法蘭盤所受彎矩，N·mm；

r2——螺栓受力合力作用點距離法蘭形心的距離，mm；

N——法蘭盤所受軸心力，N，壓力時取負值[1]。

法蘭接頭承受彎矩時，僅考慮法蘭盤最下排高強螺栓承受力，基坑圍護水平向壓力為有利作用，暫不考慮，則：

由計算結(jié)果可知，螺栓承載能力滿足設(shè)計要求。

3.2 節(jié)段梁外端頭連接節(jié)點

張拉拼接后的預(yù)應(yīng)力梁兩端與基坑圍檁連接的形式主要包括預(yù)留鋼筋接駁器及預(yù)留鋼筋接頭。預(yù)留鋼筋接頭存在以下問題：外露鋼筋接頭影響預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)；運輸安裝中容易損壞接頭；拆除難度大，從而導(dǎo)致重復(fù)利用率降低；等等。而預(yù)留鋼筋接駁器則可以避免上述問題。另外，梁端外露的張拉錨具及新舊不同形式的構(gòu)件連接都會降低該處連接節(jié)點的可靠性，故將梁端頭設(shè)計成鋸齒狀的企口以提高截面的抗剪能力，增強接頭的連接效果。裝配式梁與基坑圍護現(xiàn)澆接頭連接節(jié)點設(shè)計，如圖13所示。

圖13 裝配式梁與基坑圍護現(xiàn)澆接頭連接節(jié)點設(shè)計圖

（3）拆卸方便、循環(huán)利用。采用法蘭盤和鋼筋接駁器接頭連接，可以做到快速方便拆卸，并能重復(fù)利用。

（4）減小豎向變形撓度。利用預(yù)應(yīng)力混凝土梁的優(yōu)點，即使取消立柱及立柱樁后，也能很好地減小混凝土支撐豎向撓度變形。

（5）減小自重。利用預(yù)應(yīng)力梁構(gòu)件的空心設(shè)計，梁體自重可降低約18.6%。

下階段將通過現(xiàn)場試驗對梁構(gòu)件進行內(nèi)力和變形跟蹤監(jiān)測，通過對試驗數(shù)據(jù)進行分析，對構(gòu)件的受力機理做進一步研究。

（1）當前支撐梁按普通混凝土構(gòu)件和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件受力分別計算，同時考慮普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼束的作用。下階段考慮對普通鋼筋進行優(yōu)化。

（2）本次設(shè)計僅針對城市軌道交通車站基坑，基坑跨度變化相對較小，支撐分為2個等長節(jié)段。當基坑跨度變化時，適應(yīng)性較差。下階段繼續(xù)對梁的分段數(shù)、分段長度進行研究，以便靈活組合搭配使用。

（3）城市軌道交通車站基坑豎向一般設(shè)置多道混凝土支撐和鋼支撐，取消立柱及立柱樁，對鋼支撐的變形及穩(wěn)定性影響增大，故需同步對鋼支撐進行配套性設(shè)計研究。只有解決此問題，該設(shè)計方案才具有可實施性。

4 結(jié) 語

本研究針對當前城市軌道交通車站基坑圍護支撐設(shè)計現(xiàn)狀，結(jié)合國家相關(guān)技術(shù)規(guī)范，在滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范及行業(yè)設(shè)計習(xí)慣的前提下，對現(xiàn)有車站基坑混凝土支撐形式進行了設(shè)計改進，提出裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土支撐設(shè)計方案。該支撐設(shè)計方案具有如下優(yōu)點。

（1）縮短工期。通過將梁在工廠內(nèi)提前預(yù)制，可以大大減少現(xiàn)場澆筑及養(yǎng)護時間。

（2）取消立柱及立柱樁。利用預(yù)應(yīng)力混凝土梁的優(yōu)點，可以取消設(shè)置立柱及立柱樁，從而極大地降低工程成本，也間接壓縮了工序并縮短工期。