潘贤明， 吴居洋， 王书鹏

(1.河北雄安京翼质量检测服务有限公司，河北 保定 071700；2.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 深圳 518000；3.石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所，河北 石家庄 050043)

预制装配建造技术是建筑行业由传统建造模式向建筑工业化、智能化过渡的重要引擎，其应用于地铁车站建造时，可以精简劳动力、缩短地面交通阻断的时间、减小对周边环境的影响。国际上，俄罗斯、法国、日本等国家在20世纪已经建成预制装配地铁车站[1-3]，而我国在该方面的研究和起步相对较晚。2012年，预制装配建造技术在我国首次应用于长春地铁2号线车站[4-5]，之后，北京、上海、广州、深圳等多个城市也陆续开展了地铁车站装配建造技术的尝试和探索[6]。

装配建造技术在地铁车站的应用难点在于车站结构大尺寸混凝土块体的分割和块体之间的节点连接。针对此，深圳市城市轨道交通3号线四期坪西站创新性的提出了反弯点分块原则和C-H-C型钢组合接头连接形式[7]，为地下结构装配建造模式研发提供了新的思路。为验证上述装配建造方案的可行性以及车站装配结构在施工和服役期间的工作性能，本文对该车站结构进行了缩尺模型试验研究。

1 地铁车站新型装配方案

1.1 结构断面形式

结构方案面向的是地下两层岛式车站。由于不考虑换乘功能，该类型车站净宽较小、埋深较浅，可采用明挖法施工，结构型式通常为两层(有中柱或无柱)钢筋混凝土框架结构[8]，如图1所示。为了更好的候乘体验，本车站选用了无中柱框架断面，但同时也给结构设计带来挑战，主要表现在顶、底、中板较大跨度使得板件内力增大。为了改善结构受力状态，设计中采用以下措施：①将顶板适当起拱；②底板设为变截面；③将轨顶风道与结构主体合建考虑，减小中板跨度[7]。通过不同方案的经济、技术对比，最终确定了结构的断面型式，如图2(b)所示。

图1 地下两层岛式车站常用结构断面型式

1.2 断面分块及C-H-C型钢组合接头

由于装配结构的连接节点较整体现浇结构薄弱，断面分块时应重点考虑将节点设置在受力较小部位，并兼顾块体的生产、运输和安装可行性等要求。通过计算结构在不同荷载工况下的内力分布，确定弯矩反弯点位置，将断面分为9个块体，共10个连接节点，如图2(a)和2(b)所示。车站结构分块的详细情况见参考文献[7]。块体之间采用C-H-C型钢组合接头连接，即在预制阶段将C型槽钢预埋在混凝土块体的连接处，装配时待两个C型槽拼装对位后，在两个C型槽中间插入工字钢，如图2(c)所示。该接头的设计初衷为传递轴力和弯矩，剪切力则通过将混凝土接触面设计为凸凹榫或台阶形状来传递。

图2 车站断面分块及连接节点

1.3 块体装配步骤

各块体在预制厂浇筑养护完成后，运到车站现场，按照如下步骤进行拼装：

(1)根据设计位置放置A块。

(2)在A块两侧放置B块，对位后施加一定预压力，待A、B块的C型槽拼装对位后，在两个C型槽中间插入工字钢。

(3)在B块上安装C块，拼装时控制两个C块之间的间距，以满足下一步安装D块的尺寸要求。

(4)拼装中板D块。

(5)在C块上拼装E块，拼装时控制两个E块之间的间距，以满足下一步安装F块的尺寸要求。

(6)拼装顶板F块，完成整个断面的拼装。

2 C-H-C节点缩尺模型试验

2.1 试验设计

节点是装配结构的关键部位，关系装配方案的成功与否，影响装配后整体结构的承载能力。因此，在整体试验之前，先对节点开展缩尺模型试验研究。按照与整体试验一致的几何缩尺比1/10制作节点缩尺模型，对其开展弯曲试验，如图3(a)所示。节点模型由两段10 cm×10 cm×30 cm的缩尺混凝土梁装配而成。构件混凝土采用高强砂浆；钢筋采用镀锌铁丝，其中C型钢后锚固钢筋直径为3 mm、构件内主筋直径为2.8 mm、箍筋直径为2.2 mm；C-H-C接头采用Q345钢。缩尺模型钢筋骨架及C-H-C接头如图3(b)所示。为方便比较，同时制作了相同尺寸(10 cm×10 cm×60 cm)的现浇整体梁，开展弯曲试验。

图3 缩尺节点弯曲试验

2.2 试验结果分析及讨论

两种梁的荷载-挠度(跨中)曲线如图4所示，图中同时给出了各自的破坏形态。为了消除初始误差，在试验开始前，先预压4.00 kN初始荷载。从图中可以看出：装配梁的极限荷载为28.00 kN(节点极限弯矩3 220 N·m)，最终为弯曲破坏，C-H-C锚固钢筋拉断；整体梁的极限荷载为31 kN，略大于装配梁，最终为弯剪破坏；装配梁荷载挠度曲线线性段斜率小于整体梁线性段斜率，表明装配梁的抗弯刚度小于整体梁的抗弯刚度。上述试验现象可通过以下理论解释：与整体梁相比，装配梁在弯矩作用下，跨中接缝处会有一定开口量，该开口量是由节点处梁端转角θ造成的。根据Euler-Bernoulli梁理论，上述弯曲试验的跨中挠度δ与荷载F和节点转角θ关系如下：

图4 两种缩尺梁的荷载-挠度曲线

式中：E为材料弹性模量；I为梁截面惯性矩；F为集中荷载；L为梁底部支座间距(L=580 mm)；l1为梁顶部荷载间距(l1=120 mm)，如图3(a)所示。假设节点的弯曲刚度为Kθ，在跨中弯矩F(L-l1)/4作用下，节点梁端转角θ可表示为

(2)

将式(2)代入式(1)，

(3)

显然，对于整体梁，节点弯曲刚度Kθ为无穷大，跨中无转角，式(3)右侧第二项为0；对于装配梁，相同荷载下，其跨中挠度比整体梁跨中挠度大F(L2-Ll1)/(16Kθ)。Kθ为节点的弯曲刚度，与C-H-C型钢尺寸、预埋位置等相关。

图4中装配梁的荷载-挠度曲线近似呈双线性状，通过曲线拟合，可求得其第一线性段弹性极限荷载为Fy=22.30 kN，对应的节点弹性极限弯矩为My=2 564 N·m。该数值可用于判断节点在整体模型中的工作状态，即节点在整体模型中的实际弯矩小于弹性极限弯矩My时，说明节点工作状态良好。

3 整体缩尺模型试验

3.1 模型制作

为准确反映车站结构的实际状况，试验以装配地铁车站的标准断面为原型，考虑构件成型后的装配效果和实验室的试验能力，按照几何缩尺比为1/10制作缩尺模型，模型基本尺寸及制作过程如图5所示。

图5 缩尺模型基本尺寸及制作实景

3.2 试验装置

考虑车站结构四周主要受到水和土的分布荷载，且随着地下水位和施工期四周填土高度的变化，结构四周的分布荷载也在变化，本文采用多点密布集中荷载的方式来近似等效水和土的分布作用，由于各点荷载可调，可以实现不同荷载工况的模拟。具体加载装置如图6(a)所示，即在缩尺模型两侧和顶、底部等间距对称布置多个千斤顶，在千斤顶和构件接触面设置分配梁和一定厚度的橡胶垫，将分布荷载等效为多个集中荷载，中板的附加荷载通过堆放一定厚度的钢块来模拟。

图6 装配式地铁车站整体模型加载

3.3 加载方式

试验采用了分级加载方式，以模拟车站在施工和服役不同阶段的荷载状况。共分11级加载，其中前9级加载过程模拟低水位情况下两侧逐渐填土工况，第10和11级加载过程模拟高水位加载工况。详细加载步骤如下：

(0)构件就位后，对底部千斤顶均布加压，以抵消构件自重。

(1)侧墙底部第1对千斤顶对称加载1.35 kN。

(2)侧墙第2对千斤顶对称加载至2.10 kN，第1对千斤顶加载到3.20 kN。

(3)侧墙第3对千斤顶加载到2.50 kN，第1、2对千斤顶均增加1.50 kN。

(4)侧墙第4对千斤顶加载到2.00 kN，第1、2、3对千斤顶均增加0.60 kN。

(5)侧墙第1对千斤顶调整到8.40 kN，第2、3、4对千斤顶分别调整为6.40 kN、4.40 kN、2.40 kN。

(6)侧墙4对千斤顶分别调整到9.90 kN、7.90 kN、5.90 kN、3.90 kN。

(7)顶紧顶部两侧千斤顶，顶部千斤顶对称加载到4.00 kN。

(8)侧墙千斤顶分别调整到12.00 kN、10.00 kN、7.00 kN、4.60 kN；顶部千斤顶增到8.00 kN。

(9)中板放置预压块(低水位工况加载完成)。

(10)中板卸载；侧墙千斤顶分别调整到16.00 kN、14.00 kN、10.60 kN、7.30 kN；底板千斤顶调整为14.60 kN；顶板中部3个千斤顶维持荷载8.00 kN。

(11)中板放置预压块。加载完成后荷载分布如图6(b)所示。

3.4 试验结果及分析

3.4.1 位移试验

静力加载过程中，装配车站模型顶板、中板、底板位移如图7(a)所示。从图可以看出：在初始阶段，随着结构侧向荷载的增加，底板下挠，在第6步挠度增加至0.89 mm，之后随着顶部施加压力，底部压力增大，底板呈现上拱，最大挠度为1.32 mm；中板由于结构两侧梯形荷载的作用呈向上弯曲状，最大上拱位移为0.71 mm；顶板在初始阶段也呈上拱状，第6步之后，随着顶部荷载增加，顶板开始下挠，最大下挠位移为1.13 mm。整个加载过程中，结构表现出良好的整体性。在服役工况高、低水位作用下，结构试验位移与理论计算结果相近；高水位工况下，底板、中板、顶板跨中挠度计算结果分别为1.26 mm、0.69 mm、0.92 mm，如图7(b)所示，表明该装配方案能满足设计要求。

图7 装配式地铁车站位移试验和计算结果

3.4.2 节点试验

不同荷载工况下，侧墙节点应变如图8(a)所示。可以看出：第6步是节点弯曲方向改变的转折点，前6步随着侧墙荷载的增加，节点向内侧弯曲(内侧受拉)，应变逐渐增加，第6步之后，随着顶部荷载的施加，节点应变减小，在第9步低水位工况中板放置预压块之前，应变达到最小值；之后，节点向外侧弯曲(内侧受压)，节点应变在高水位工况达到最大值。高水位工况下，侧墙节点混凝土应变分布如图8(b)所示，理论计算结果与试验结果相近。根据压弯构件弯矩M和拉压两侧应变(εt和εc)之间关系：M=(εt-εc)EI/h，该节点两侧应变测试点处的截面弯矩可分别计算为2 804 N·m和716 N·m。通过线性公式，节点弯矩计算为1 760 N·m，小于C-H-C节点的弹性极限弯矩2 564 N·m，表明节点工作状态良好，试验结果与理论计算结果相符。

图8 装配式地铁车站节点应变试验和计算结果

4 结论

本文通过缩尺模型试验证明了深圳市城市轨道交通3号线四期坪西站装配建造方案可行，同时静力承载试验表明：在设计荷载作用下装配结构整体性能良好，试验与设计计算结果一致，该装配方案满足设计要求。