摘要：基于济南市轨道交通R1 线地下站演马庄西站“预制板与永久板相结合”设计理念，从设计者角度出发对其顶板采用的预制大跨先张法预应力叠合顶板设计展开分析。叠合顶板由“预制-现浇叠合板”两阶段形成，本文着重从结构选型、荷载工况、细节构造等方面进行论述，为地铁工程中结构板采用预制叠合构件提供参考。
关键词：地下工程；地铁车站；预制构件；叠合结构
1 研究背景
预制装配式结构广泛应用于民用房屋建筑并已建立了较为成熟的预制装配式结构体系。从国内外预制技术的发展现状分析，预制装配式结构分为全部构件预制和部分构件预制两类。全部构件预制又可分为结构整体预制和结构分块预制，其主要区别在于结构断面内是否分块；部分构件预制主要是预制构件和现浇方式结合使用，形成完整的隧道及地下工程结构。由于地下工程施工环境及工艺复杂，对结构防水及抗震性能要求苛刻，预制装配式结构在地下工程中的应用较少。
一般地下车站混凝土结构板全部采用现浇浇筑，临时支撑量大、工期长、质量受环境影响较大。结合济南地区推广的预制装配式产业政策，选取演马庄西站作为推广试点工程。地铁车站主要结构构件为底板、中板、顶板、侧墙、梁、柱等构件。由于结构底板直接地模浇筑，预制底板经济效益不大且存在接缝位置漏水风险；中板孔洞开孔较多，预制化分块后结构类型复杂，不利于预制构件规模化；现浇侧墙与预制围护桩已叠合，实现了“预制-叠合”理念；梁、柱结构预制体量较小，构件预制化后存在结构整体性降低的情况；故选取结构顶板作为预制装配式推广对象。为避免顶板纵向整体刚度降低和顶板漏水风险，采用部分顶板预制，即结构顶板按双层设置，下层采用预制结构与上层采用现浇结构上下叠合，形成整体构件。既节省了传统现浇顶板的脚手架、提高纵向刚度、减小了顶板拼接缝漏水风险，又实现了预制装配式推广要求。
本文着重从预制板结构选型、荷载工况、节点设计等方面分别讨论，以期推动地下工程产业化进程，为地下工程绿色化发展提供一定的参考和借鉴。
2 工程概况
济南市轨道交通Rl线工程位于济南市西部新城区，是济南市轨道交通线网中贯穿西部新城南北的一条主干线。演马庄西站地铁车站位于槐荫区齐鲁大道和青岛路交叉口北侧，主体结构全长359．6 m，沿齐鲁大道路中绿化带呈南北向布置，为地下两层岛式站台车。主体结构“预制-现浇叠合板”结构剖面如图1所示。
图1 预制-现浇叠合板结构
图中结构宽度19.3 m，埋深16.3 m，覆土厚度约2.5m，主体顶板厚0.9m（预制板厚0.50m、现浇板厚0.4m）、中板厚0.4m、底板厚0.9m。
预制板施工阶段作临时模板，上部后浇混凝土；使用阶段与后浇混凝土形成叠合构件作永久结构顶板。预制板一侧搭在花篮式顶纵梁，一侧搭在侧墙牛腿上。
3 预制板结构选型
3.1 选型原则
预制顶板设计在优先满足车站各建筑功能的前提下，综合考虑预制板方案的施工难度、工期、运输、造价等因素，确定技术安全可靠、经济合理的结构形式。
3.2 预制板结构配筋类型选择
预制板结构根据配筋类型不同一般分为三类：普通钢筋混凝土预制构件、先张法预应力钢筋混凝土预制构件、后张法预应力钢筋混凝土预制构件。各类型特点分析见表1。
表1 预制板结构配筋类型选择
由上可知：普通钢筋混凝土预制顶板和先张法预应力钢筋混凝土预制顶板均可，但考虑先张法具有节省配筋、节省混凝土材料、减少扰度、控制裂缝良好的特点，优先选择先张法预应力钢筋混凝土预制构件。
预制板结构截面类型
考虑到提高顶板纵向整体刚度和提高整体抗震性能，上部结构现浇层厚度按照不小于0.4m控制。叠合后顶板厚度较大对造价不利，总厚度按不大于0.9m控制。因此，先张法预应力钢筋混凝土预制构件截面高度控制在0.5m。根据车站顶板尺寸要求和叠合板行业经验，截面尺寸和内部配筋设计分为四类：倒T性、倒双T型、钢筋桁架叠合板、平面钢桁架叠合板。各类型分析见表2
表2 预制板结构截面设计分析
由由上分析并结合造价和施工可知：倒T型预应力叠合板和双倒T型预应力叠合板均可行，两种类型本站均进行了采用。
4 受力分析
4.1计算原则
1）根据施工工艺，预制板先期搭接在侧墙和顶纵梁上，形成简支构件、单向受力，后期上部绑扎钢筋、现浇混凝土。上部现浇部分与下部预制部分叠合形成整体构件。现浇混凝土未达到强度时预制板单独承载，达到强度后形成的叠合构件按整体单一构件考虑。
2）先张法预应力混凝土板受力既承担上部现浇板施工阶段荷载，又承担永久阶段上部荷载。永久作用阶段，由于预应力钢丝的预拉力在与现浇构件叠合形成整体单一构件后预应力不会消失，故按照预应力参与永久结构受力考虑。
3）考虑预制板受力钢筋均下侧布置，预应力钢丝在工厂进行张拉，后运输至施工现场。张拉值过大时构件易起拱超限且不利于运输，故预应力钢丝提供的预加力不宜过大，为满足永久阶段承载需求，同时考虑防火要求，下部同时布置普通钢筋，共同承载。
4）为减少配筋量降低造价，先张法预应力预制构件计算按照允许出现裂缝考虑，裂缝大小控制在0.2mm以内。
4.2结构计算
计算依据《混凝土结构设计规范》附录H无支撑叠合梁板章节内容。本工程“预制-现浇叠合板”是两阶段成形，两阶段受力，需要按照下面两个阶段计算：
第一阶段：后浇的叠合层混凝土未达到设计强度之前的阶段。荷载由预制预应力板单独承担，预制板按简支构件计算。
第二阶段：叠合层混凝土达到强度设计之后的阶段，叠合板按整体单一构件结构计算。具体内容见表3
表3 预应力板两阶段阶段计算
5 节点设计
5.1站厅层层高调整
一般地铁车站由于顶纵梁可局部上翻，站厅层层高一般为4.95m。本站由于顶纵梁需搭接预制板不能上翻，故站厅层层高调整至5.45m，较一般车站层高调高0.5m。
5.2侧墙水平施工缝防水解决方案
预制板与侧墙交界位置钢筋密集，为便于节点位置墙板钢筋互相锚固，侧墙结构顶板底标高位置预留了锚固空间。侧墙先期浇筑至顶板底位置，剩余结构随现浇顶板一同浇筑，侧墙该位置就形成一道水平施工缝，不利于防水。为保证结构防水完整性，节点防水需进行局部处理，见图2
图2 侧墙与顶板交界位置水平施工缝防水构造
5.3顶纵梁与预制板、后浇板节点相交方案
为保证顶纵梁钢筋完整性和预制顶板在顶纵梁位置搭接可靠，顶纵梁调整矩形断面为花篮型断面，顶纵梁分二次浇筑，首次浇筑至板底标高，二次同后浇顶板整体浇筑，详见图3
图3 花篮型顶纵梁梁板相交节点
6 结语
地铁工程采用预制构件与现浇构件叠合，设计思路的开展主要是以问题导向进行。对比常规车站和设计内容，外部环境因素主要增加了与构件生产厂家的设备和工艺匹配、运输吊装、施工条件便利性，内部因素主要有预制板单独承载、预制板与后浇板叠合共同承载、预制板与其他构件的连接节点、接缝位置的防水设计等内容。由于设计经验不足，尚有许多细节值得考量。
1）叠合顶板先张法预应力筋和普通钢筋的最优配比问题。本工程预应力在永久阶段占提供的拉力值约占总拉力值的30%。原因是因为设计过程中考虑顶板在装修施工时的钻孔会对预应力钢丝有直接削弱，故板底受力筋按照普通钢筋为主，预应力钢丝为辅考虑。若今后有类似工程，预制板可考虑为后期装修直接预埋连接件，避免钻孔对预应力钢筋的影响。
2）后浇叠合板的纵向钢筋的最优构造配筋率问题。本工程后浇板结构采用0.4m厚现浇板，为保证纵向整体刚度，现浇层的上下两层位置均配置了纵向钢筋。现浇层的上层纵向构造钢筋配筋率可根据经验按照整体板厚的0.25%进行配置，但现浇层的下层纵向钢筋大部分处于叠合后结构板中层，钢筋受力不明显，最优配筋率有待优化。
3）预制板构件上层钢筋在叠合后构件的作用考虑不充分。设计中没有考虑叠合板中预制板构件的上部钢筋作用，实际该位置钢筋在结构抗弯及抗剪方面仍发挥有利作用，但计算理论尚不明确，在这一方面有待进一步研究。
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论文作者:王彪
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/12
标签：叠合论文; 顶板论文; 预制板论文; 结构论文; 预应力论文; 构件论文; 钢筋论文; 《基层建设》2019年第25期论文;