郭正兴，耿佳名，徐 政，潘 清，刘 毅，徐军林，邢 琼

(1.东南大学土木工程学院，江苏 南京 211189； 2.无锡地铁集团有限公司，江苏 无锡 214023； 3.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

0 引言

目前，地铁车站的建造仍以现浇混凝土的传统技术为基础，该技术施工耗时长、工序复杂、对街道污染较大[1]。运用预制装配技术发展装配式地铁车站可消除现场施工的诸多弊病，可有效保证构件生产质量，减少现场湿作业造成的环境污染和资源消耗，提高施工效率，降低成本，缩短工期[2]。

国外装配式地铁车站的发展较早，白俄罗斯采用大跨坦拱装配式结构建造了明斯克地铁车站[3]，避免了寒冷气候给现浇混凝土施工带来的影响；法国在巴黎地铁地区快车线采用预制钢筋混凝土管片装配拱技术修建了地下车站；俄罗斯采用装配式层间楼板单拱结构建成了圣彼得堡地铁站[4]。

我国的装配式地铁车站技术正处于起步阶段，长春地铁2号线袁家店车站是我国首次采用全预制装配式技术建造的地铁车站[5]。杨秀仁等[6-8]通过对37 组足尺接头模型的抗弯性能试验，研究了接头构造、注浆材料、注浆范围等参数对榫槽接头抗弯性能的影响。北京地铁6号线金安桥站[9]采用装配整体结构形式的明挖车站方案。济南轨道交通R1线演马庄西站[10]采用了预制板与现浇板相结合、预制立柱与永久结构柱相结合及预制桩与主体结构墙相结合的施工工艺。

1 新型叠合预制装配式地铁车站结构体系

目前已有的研究大多集中于全预制装配式地铁车站结构，车站预制构件现场安装，通常采用沿基坑边布置移动龙门式起重机的方式逐块安装预制构件到设计位置，全预制装配式地铁站预制构件自重较大，在有基坑内撑的施工条件下，位于内撑下方的全预制构件难以直接安装到位，影响安装效率；同时，较重的全预制构件也存在交通运输上的不便。为此，提出新型叠合预制装配式地下车站结构体系。

车站结构体系如图1所示，车站底板为现浇混凝土底板；中柱采用外侧设有防火混凝土的钢管混凝土柱，钢管及外侧混凝土均在工厂制作完成，现场灌注钢管内混凝土；外墙、顶板、中板、纵梁均为预制叠合构件，中板和顶板均采用预制预应力叠合板，外墙由内侧半预制墙板和外侧现浇混凝土形成叠合整体式墙板结构，单侧预制墙板分层分块预制，厚度约为整体式墙板厚的一半，并在单侧预制墙板底部、顶部外伸出竖向U形钢筋实现与顶板、中板及底板的扣搭连接，然后浇筑侧墙外侧及叠合板顶板混凝土形成稳定的结构整体。采用单侧半预制墙板、半预制预应力楼板及半预制钢管柱代替全预制装配式车站中相应的结构构件，可有效减轻构件自重，克服全预制构件不适用于有内撑基坑的局限性，方便预制构件的安装与运输。

2 关键节点受力性能试验研究

采用U形钢筋搭接连接的叠合预制装配式侧墙节点首次应用于地下结构，其受力性能是影响结构整体承载能力的关键，为此，结合无锡至江阴城际轨道交通工程，设计制作了足尺的侧墙与底板节点试件及足尺的侧墙与顶板节点试件，通过拟静力试验进行研究。

2.1 侧墙与底板连接节点

车站侧墙与底板的连接形式如图2所示。预制内侧墙底部伸出竖向U形钢筋，车站底板在外墙板部位错位伸出与预制墙板底部U形钢筋对应的下U形钢筋，上下U形环筋搭接连接后在扣搭区内插入横向钢筋，最后通过现场浇筑预制墙板外侧及连接区混凝土，实现车站外墙与底板的连接。依据实际工程设计了预制拼装侧墙底节点足尺试件模型及相同规格的现浇节点模型，通过拟静力加载试验分析试件在低周往复荷载下的破坏形态及承载力。

图2 侧墙底节点构造示意

2.1.1试件设计与加载方案

根据加载设备的限制条件，将试件高度设为4 380mm，其中，底板厚900mm，侧墙高3 480mm。根据地下车站横截面的内力包络图对试件侧墙厚度及配筋进行设计。试件的侧墙厚700mm，由于车站侧墙底部剪力较大，因此在试件底部进行加腋处理，腋板高600mm。侧墙的纵向宽度均取1 000mm。 现浇节点试件(SJ1)尺寸及配筋如图3a所示，现浇混凝土强度等级为C40，钢筋等级均为HRB400。装配式侧墙底节点试件(PSJ1，见图3b)中单侧预制墙板混凝土强度等级为C50，墙身内外侧对称配置7根φ25受力钢筋，受力钢筋伸出墙底形成U形钢筋。底板采用C50混凝土，板顶伸出7根用于扣搭连接的φ32 U形钢筋。单侧预制墙板外侧与连接区现浇混凝土强度等级为C40。

图3 侧墙底节点试件构造示意

试件底板通过地脚螺栓固定于实验室底板，底板两侧设置限位千斤顶防止试件底部的水平滑移(见图4)。通过加载端头实现 1 000kN 液压伺服控制系统(MTS)与试件墙顶的连接，以施加墙顶的水平低周反复荷载。试件在正向荷载(推)作用下的承载力较高，因此采用负向荷载作用下的屈服荷载Py及屈服位移Δy制定加载制度。采用位移控制加载，在试件达到屈服位移前，加载步分别为0.25Δy，0.5Δy，0.75Δy，每级循环1次；在试件达到屈服位移Δy后，以Δy的整数倍进行加载，每级循环3次，直至试件破坏或承载力下降至最大值的85%。

图4 侧墙底节点加载装置

2.1.2试验结果与分析

试件最终破坏形态如图5所示，试件SJ1为剪切破坏，而试件PSJ1则是在节点连接区的最外侧U形钢筋弯弧处弯折断裂。加载过程中最外侧U形钢筋侧面混凝土保护层出现竖向黏结开裂裂缝，钢筋黏结强度出现退化，增加了U形钢筋弯弧段内侧混凝土压力，造成弯弧段钢筋受弯破坏。

图5 试件SJ1，PSJ1破坏形态

两试件的侧墙顶荷载-位移滞回曲线与骨架曲线如图6所示。由于墙底内外侧配筋率的差异及墙内侧的加腋构造，所有试件的荷载-位移曲线在推拉方向均不完全对称。通过骨架曲线可得到两试件在推(正)拉(负)方向的峰值荷载Pmax、破坏时的极限位移Δu、开裂荷载Pcr、开裂位移Δcr及初始环线刚度等参数，如表1所示。对比分析可知，预制拼装试件的正向峰值荷载只比现浇试件降低了4.87%，可满足构件设计的承载力要求，同时由于U形钢筋搭接连接对试件局部刚度的提高，试件PSJ1在推拉方向的平均初始刚度较现浇试件SJ1提高了3.6%。

图6 底节点试件荷载-位移滞回曲线与骨架曲线

表1 侧墙底节点试验结果

2.2 侧墙与顶板连接节点

车站侧墙与预应力顶板的连接形式如图7所示。预制内侧墙顶部伸出的竖向U形钢筋与楼板两端伸出的U形钢筋搭接连接，现场浇筑预制墙板外侧及叠合楼板混凝土。依据实际工程设计了预制拼装侧墙顶节点足尺试件模型及相同规格的现浇节点模型，通过对两组节点试件的拟静力加载试验，对比分析了两节点试件在低周往复荷载下的破坏形态及承载能力，为侧墙顶节点在地下结构中的应用及推广奠定试验和理论基础。

图7 侧墙顶节点构造示意

2.2.1试件设计与加载方案

根据加载设备的限制条件，试件中侧墙高 3 000mm， 宽1 000mm，顶板长3 300mm试件中侧墙与顶板的受力钢筋均为φ25 HRB400级钢筋，预制段混凝土强度等级为C50，现浇段混凝土强度等级为C40。试件RJ1，PRJ1尺寸与配筋如图8所示。

图8 侧墙顶节点试件构造示意

节点试件侧墙通过地脚螺栓固定于实验室底板，通过加载端头实现1 000kN 液压伺服控制系统(MTS)与试件顶板的连接，以施加墙顶的水平低周反复荷载(见图9)。试验前通过ABAQUS分析得到节点的理论屈服位移Δy=14.4mm，在试件达到屈服位移前，加载步分别为 0.25Δy，0.5Δy，0.75Δy，每级循环1次；在试件达到屈服位移Δy后，以Δy的整数倍进行加载，每级循环 3 次，直至试件破坏或承载力下降至峰值的85%。

图9 侧墙顶节点加载装置

2.2.2试验结果与分析

试件最终破坏形态如图10所示，试件RJ1为侧墙剪切破坏，试件PRJ1发生了U形扣搭钢筋周围混凝土剥落破坏。加载过程中最外侧U形钢筋侧面混凝土保护层出现竖向黏结开裂裂缝，钢筋黏结强度出现退化，增加了U形钢筋弯折段周围混凝土压力，造成了混凝土压碎破坏。

两试件的顶板加载端的荷载-位移滞回曲线与骨架曲线如图11所示。加载初期试件处于弹性阶段，滞回环狭长耗能小；试件进入屈服阶段后，滞回环逐渐饱满，耗能能力逐渐提升。通过骨架曲线可以得到峰值荷载Pmax、破坏时极限位移Δu、开裂荷载Pcr、开裂位移Δcr、屈服荷载Py、屈服位移及初始环线刚度等参数，如表2所示。对比分析可知，由于现浇节点RJ1在侧墙与顶板相交处设置的腋板高度较高，因此其极限承载力较预制拼装节点提高了18.5%，其初始刚度较预制拼装节点提高了9%，但预制拼装节点的承载力仍然满足设计要求。

图10 试件RJ1，PRJ1破坏形态

图11 顶节点试件荷载-位移滞回曲线与骨架曲线

表2 侧墙顶节点试验结果

3 结语

提出新型叠合预制装配式地铁车站结构体系，车站外墙采用单侧半预制叠合墙板，通过墙板底部及顶部伸出的竖向U形钢筋实现与车站底板及车站叠合顶板的连接。通过拟静力试验研究了节点在低周往复荷载作用下的受力性能，得出以下结论。

1)预制拼装侧墙节点承载力较低，但可满足构件设计的承载力要求。

2)U形钢筋搭接有效传递荷载。U形钢筋通过与周围混凝土的黏结实现搭接筋力的传递。当U形筋侧面混凝土保护层较薄时，钢筋黏结强度较早退化，增加了U形钢筋弯弧及水平段对内外侧混凝土的压力，造成混凝土剥落，随着压力的增加可能发生弯弧段钢筋脆性断裂。