建桥结合装配式高架车站关键技术研究

黄长木

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

在城市化建设逐步推进的今天，轨道交通高架车站的施工任务也逐步成为我国大中型城市基础设施建设的内容之一。现行高架车站一般采用支架现浇法。传统支架现浇施工方式存在生产效率低、资源浪费情况严重、品质难以保障、对环境影响大等缺点。

随着大型先进设备保有量的增加和新材料的发展，为产业升级提供基础，为城市高架车站工业化建造、预制装配化施工提供可能。目前，预制拼装的理念正在由民用建筑扩展到市政工程，由局部预制拼装向全预制拼装方向快速发展。全预制施工工艺以其施工便捷快速、质量稳定可靠、对交通及环境影响小等特点，在欧美、日本等国家已经越来越多地被采用[1-7]。

基于以上原因，拟结合某建桥结合高架车站工程对城市高架车站预制装配化设计关键技术进行研究，对实现城市高架车站的快捷施工，减少施工对现状交通的影响，缩短施工工期，具有迫切的现实意义。

1 项目概况

工程项目为双柱带长悬臂“建桥结合”高架车站。平面投影为矩形，纵向12跨，两端部柱距为10 m，中间10跨柱距为12 m，总长度140 m；横向柱距7.2 m，两端悬挑8.8 m，总宽度为24.8 m；站台层上覆盖钢结构雨棚，雨棚屋面檐口高度为24.400 m，车站标准横断面见图1。主体结构设计使用年限100 a，抗震设防烈度为7度。基础采用钻孔灌注桩+现浇混凝土承台的基础形式。上部结构拟按预制装配整体式结构设计，包括预制立柱、预制盖梁、预制框架柱、预制框架叠合梁、预制钢筋桁架叠合板、预制楼梯等。装配整体式混凝土结构等同于现浇结构，采用与现浇混凝土结构相同的方法进行计算分析。

图1 车站横剖面示意图（单位：mm）

2 结构体系及拆分

车站站厅层以下为桥式双立柱盖梁结构体系，站厅层以上为建式框架结构体系。框架结构体系采用常规拆分法将梁、柱拆分成一维构件，每根预制柱的长度为1层，连接套筒预埋在柱底；梁按照柱距的1个跨度为单位预制，梁主筋连接部位设置在节点核心区（见图2）。建式框架结构在民用建筑中已广泛采用预制装配式技术，工程实例众多，此处不再赘述。

图2 框架常规拆分法示意图

高架车站立柱盖梁体系类似城市高架桥梁的下部结构，由双柱带悬臂盖梁支承上部结构。近年来上海地区的一些桥梁工程已将预制装配技术运用于盖梁、立柱建设中且投入运营，如嘉闵高架、虹梅路高架、S6高速公路桥等，对高架车站立柱盖梁预制装配具有重要的借鉴作用。但是高架车站的立柱盖梁体系与城市高架桥又有诸多不同，主要体现在以下几个方面：

（1）高架车站结构涉及到铁路桥梁和建筑结构2个行业的设计理论和规范，立柱盖梁体系应同时满足铁路桥梁和建筑结构规范的要求；

（2）荷载不同，高架车站自重大，活载种类多。不仅包括建筑荷载规范要求：恒载、活载、风载、雪载、地震作用等；还包括铁路桥梁规范要求：主力、附加力、特殊荷载等；

（3）节点连接方式不同。纵向框架梁及上部结构与盖梁刚接，而且还包括楼板作用，结构空间作用强，受力复杂。

由此可见高架车站立柱盖梁结构比高架桥梁更为复杂，立柱和盖梁承上启下是制约高架车站工期的关键构件，因此立柱和盖梁的预制装配技术及相关连接节点的研究对于实现高架车站工业化、提高工程质量、缩短施工工期具有重要意义。

3 预制立柱

国内外研究人员对预制装配立柱连接构造提出很多类型，主要可归结为：采用有粘结后张预应力筋钢绞线、灌浆套筒连接、金属波纹管连接、插槽式、承插式、湿接缝等构造来实现预制立柱之间、预制立柱与盖梁和预制立柱与承台的连接。立柱与盖梁或立柱与承台之间的接触面采用砂浆垫层，立柱节段之间的接触面采用环氧胶接缝构造。

灌浆套筒连接和灌浆金属波纹管连接连接可靠且施工速度快，充分体现出了装配式结构的特点，应用最为广泛。在规范层面上，《预制拼装桥墩技术规程》（DG/TJ 08-2160-2015）、《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1-2014）等一系列相关规范标准的发布，保证了这两种连接方式在设计上的有据可依。在实际工程运用中，上海S6高速公路4标段、嘉闵北二段高架桥梁、虹梅路高架均采用灌浆套筒连接方式。另外试验研究表明，采用套筒、波纹管连接的立柱与现浇混凝土立柱相比，具有相近的抗震性能，可满足预期的抗震性能要求。

鉴于此，本工程选用灌浆套筒作为立柱与盖梁、立柱与承台之间的连接方式（见图3），并采用现有规范中的计算方法来完成预制立柱的计算和设计。

图3 立柱与盖梁及承台连接

根据上海市建设标准《预制拼装桥墩技术规程》DG/TJ 08-2160-2015，预制拼装立柱拼接缝处的抗剪强度按下式验算：

式中：Vj为剪力设计值，N；Ak为破坏面键根部的面积，mm2；f'c为混凝土圆柱体抗压极限强度，MPa；σn为接缝上的压应力，MPa；Asm为破坏面上的摩擦接触面积，mm2。

根据行业标准《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1—2014），在抗震设计状态下，当预制柱受压时，柱底水平接缝的受剪承载力设计值应按下式计算：

式中：fc为混凝土轴心抗压强度设计值；fy为垂直穿过结合面钢筋抗拉强度设计值；N为与剪力设计值V相应的垂直于结合面的轴向力设计值，取绝对值；Asd为垂直穿过结合面的所有钢筋的面积；VeE为地震设计状况下接缝承载力设计值。

预制装配立柱接缝处抗剪承载力取式（1）和式（2）的两者之较小值。

4 预制盖梁

盖梁主要作用是支承高架车站上部框架结构，并将全部荷载传递给立柱再通过立柱传递到基础。高架车站盖梁受力复杂，具有结构转换功能，是结构设计的关键构件，预制盖梁拼装拆分应主要考虑以下几个方面的问题：结构受力合理；控制单个预制构件质量在200 t以内，可采用两台汽车吊进行现场吊装；吊装施工应考虑对地面交通的影响。

预制盖梁按叠合梁设计，楼板厚度范围预留后浇区，纵梁上部钢筋现场放置且贯通后浇区，楼板钢筋在预留后浇区内锚固，形成整体，提出以下四种预制方案并进行对比分析。

（1）盖梁整体预制（见图4），纵梁在节点核心区外设置后浇梁段（见图8（a）），盖梁可不设置临时支撑，对地面交通基本无影响。

图4 盖梁预制方案一

（2）盖梁整体预制，纵梁与立柱连接节点核心区预留现浇段或者纵梁高度范围全部预留现浇（见图5），纵梁钢筋在现浇区域内锚固连接（见图8（b）），盖梁悬挑端设置临时支撑，对地面交通有一定影响。

（3）盖梁在跨中预留后浇段，分两段预制拼装（见图6）。纵梁在节点核心区外设置后浇梁段（见图8（a）），盖梁悬挑端设置临时支撑。

（4）盖梁分三段预制（见图7），先吊装中间段，利用吊架吊装两侧预制段，临时固定后浇筑混凝土。盖梁可不设置临时支撑，对地面交通基本无影响。

图5 盖梁预制方案二

图6 盖梁预制方案三

图7 盖梁预制方案四

纵梁与立柱盖梁连接分为节点核心区外连接和节点核心区内连接两种方式（见图8）。

上述四种盖梁预制方案比较见表1。

通过盖梁预制方案的综合对比，可以看出，整体预制方案一从结构受力性能、对交通影响角度而言是最优方案，但受制于预制、运输、吊装等因素，整体预制方案适用于预制构件体量较小的情况。当预制盖梁体量较大时，可采用上下分层建造或者竖向分段预制拼装建造。方案二或方案三受力性能好，运输吊装要求低，但对交通有一定影响。方案四具有吊装要求低，交通影响小的优点，缺点是接缝设置在受力较大的悬挑根部，受力性能较差，因高架车站盖梁为转换构件，结构受力复杂，结构性能要求高，如采用必须对连接接缝及构件性能做专门研究。实际工程可以根据不同的情况采用相应的预制方案。

图8 纵梁连接方式示意图

表1 盖梁预制方案对比

5 关键连接节点

高架车站立柱盖梁体系区别于高架桥梁主要体现在纵向框架梁与盖梁的刚性连接，如何实现该节点连接成为建桥结合高架车站预制装配化的关键性技术问题。通过研究国内外成熟的预制装配框架技术以及已建工程的工程实践，在相关规范和文献的基础上结合本工程具体情况，对既有连接方式进行了改进及创新设计，提出预制盖梁与纵向框架梁三种刚性连接方法。

（1）立柱盖梁节点核心区预留后浇区，纵向框架梁下部钢筋及抗扭钢筋在后浇区锚固（见图9）。下部钢筋端头宜采用锚固板锚固，也可采用其他机械锚固形式以减小锚固长度，直锚长度应满足不小于0.6laE的要求。纵梁后浇叠合层上部钢筋现场放置且应贯穿后浇核心区，纵梁端设置抗剪键槽。

图9 节点1—核心区内锚固连接

（2）立柱盖梁节点核心区外纵向框架梁端设置后浇段，纵梁下部钢筋及抗扭钢筋在后浇段内采用挤压套筒连接（见图10）。连接接头距盖梁边不小于0.5 h（h为叠合梁截面高度）且不小于300 mm，纵向框架梁上部钢筋贯穿盖梁后浇叠合层，梁端及盖梁侧面应设置抗剪键槽。

图10 节点2—核心区外后浇梁段内连接

（3）明牛腿连接节点（见图11），纵向框架梁下部钢筋通过梁底预埋钢板与牛腿顶预埋钢板焊接连接，抗扭钢筋在后浇段内采用单面焊接接头，焊接长度不小于10d（d为钢筋直径），后浇段长度根据焊接要求确定且不小于200，纵向框架梁上部钢筋贯穿盖梁后浇叠合层，梁端及盖梁侧面设置抗剪键槽，梁端箍筋加密范围应从牛腿外边缘算起。

图11 节点3—明牛腿连接节点

上述三种节点均可实现纵向框梁与立柱盖梁体系的刚性连接。节点1主要用于盖梁预制方案二中，要求节点核心区预留后浇区，节点构造简单，施工便捷，缺点是盖梁的完整性稍差。节点2、节点3将后浇区设置在节点核心区外，保证盖梁完整性，适用于盖梁的全预制方案。通过合理的设计节点3可实现纵向框架梁无临时支撑施工。

预制拼装盖梁采用竖向分段预制拼装建造时，预制构件的拼接面应采用剪力键槽方式，纵向下部钢筋及抗扭钢筋通过灌浆套筒或者冷挤压套筒连接，上部钢筋现场放置，见图12。

图12 预制盖梁拼装连接节点

剪力键槽深度t不宜小于30 mm，宽度w不宜小于深度的3倍且不宜大于深度的10倍；键槽贯通截面，间距等于键槽宽度；键槽端部斜面倾角不宜大于30°。盖梁竖向接缝受剪承载力由键槽抗剪能力、后浇混凝土叠合层抗剪能力和梁纵向钢筋的销栓抗剪作用三部分组成，地震工况下抗剪承载力按下式计算：

式中：Ac1为梁端截面后浇混凝土叠合层截面面积；fc为预制构件混凝土轴心抗压强度设计值；fy为垂直穿过结合面钢筋抗拉强度设计值；Ak为各键槽的根部截面面积之和，按后浇键槽根部截面和预制键槽根部截面分别计算，并取二者的较小值；Asd为垂直穿过结合面所有钢筋的面积，包括叠合层内的纵向钢筋。

6 结语

以某建桥结合高架车站工程为例，实现了预制装配技术在建桥结合高架车站结构中的应用。根据高架车站特点，结合民用建筑及高架桥梁预制装配化技术的应用实例，提出建桥结合高架车站的构件拆分及预制拼装方法。通过研究国内外成熟的预制装配连接节点和已建工程的工程实践，在相关规范和文献的基础上结合本工程具体情况，对既有连接方式进行了改进及创新设计，提出预制盖梁与纵向框架梁三种刚性连接方法及预制盖梁拼装连接节点。对类似工程具有借鉴和推广价值。