地下结构闭腔薄壁预制构件设计关键技术

黄美群

(1. 北京城建设计发展集团股份有限公司, 北京 100037； 2. 城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程研究中心, 北京 100037)

0 引言

建筑结构预制装配技术是绿色建造技术的发展方向，是工业化建造模式的核心。经过近10年的研究和应用，我国轨道交通地铁车站装配式结构建造技术取得了一定的成绩，目前已在国内长春、青岛和深圳等多个城市得到应用推广。闭腔薄壁构件是为解决大型地铁车站装配式结构预制构件体量大、运输和吊装困难等问题而研发的轻量化结构构件，应用后可显著减轻构件重量、减少混凝土用量和降低工程造价[1-2]。

矩形实体混凝土结构构件构造简单、制作方便，但在受弯破坏时，受拉区混凝土开裂退出工作，使得这些部位的混凝土不能再发挥承载作用； 同时，越是靠近中性轴部位的混凝土，其所发挥的抗弯承载作用就越小。将上述对抗弯无贡献或抗弯作用较小、位于截面核心区域附近的混凝土去除，在较少或基本不削弱构件承载能力的同时，可以达到构件轻量化的目的。实际工程中最为常见的轻量化构件有预制T形、工形、∏形、箱形等构件，这些轻量化构件在地面建筑和桥梁工程中应用广泛，地面建筑的预制圆孔板也是典型的轻量化构件。

闭腔薄壁预制构件是在矩形截面混凝土构件中心应力水平较低的部位设置若干个封闭的空腔体，形成由上翼缘、下翼缘、边纵肋、中纵肋、横隔板及端头板等薄壁板肋组成的构件[3-4]，其空腔截面类似于箱形，示意见图1。

(a) 纵断面(底板结构)

(b) 横截面

长春地铁装配式车站为明挖地下2层单拱大跨隧道结构，宽20.5 m、高17.45 m，衬砌结构由7块环宽2 m的标准构件组成，全部构件采用闭腔薄壁预制构件。单环结构总质量292.5 t，总体积144 m3，其中，空腔体积27 m3，空腔率为18.75%，轻量化效果显著[5]。长春地铁装配式车站结构及闭腔薄壁构件示意见图2。

(a) 车站结构 (b) 闭腔薄壁构件

轻量化设计的必要性显而易见。然而，装配式地铁车站结构体系庞大、复杂，并承受巨大的水土荷载作用。构件尺度大、配筋率高，是典型的偏心受压构件，且在构件不同部位呈现双向弯曲的受力特性，构件横截面上、下均需要有效抵抗正、负弯矩作用，并满足配筋需要；与此同时，还需要考虑每个预制构件四周环向和纵向接头的可靠连接和接缝密封防水性能，因此，地铁装配式车站结构的轻量化设计难度较大。研究发现，闭腔薄壁构件不仅轻量化效果显著，而且力学性能优良，是实现大型装配式地下结构轻量化设计目标很好的解决方案。

闭腔薄壁构件在地下结构中的研究和应用在国内外尚属首例，本文结合理论研究和实际工程应用情况，针对大型地铁车站装配式结构构件轻量化设计要点及闭腔薄壁构件设计关键技术进行论述。

1 地下结构预制构件轻量化设计

明挖装配式车站等地下结构型式可以是单拱大跨结构，也可以是矩形框架结构。根据装配式结构型式及拆分要求，预制构件可为直线形、弧形、折线形、T字形等多种型式，构件尺度大小需要满足制作工艺、吊运条件、拼装工艺及结构稳定性的要求，并需要符合模数化、标准化的要求。

预制构件进行轻量化设计时，应基于装配式地下结构的受力特性、接头构造、接缝防水、结构耐久性等要求，进行多方案的技术和经济性比选。

1.1 优化截面型式

大型装配式地下结构构件进行轻量化设计时，可选择的截面型式主要有闭腔薄壁和∏形等型式，其示意见图3。构件迎土侧应设置翼缘板，以形成挡水、挡土的封闭式衬砌结构；构件纵向应设置纵向边肋，以满足构件纵向接头和接缝防水的构造要求；构件端头应设置端头板，以满足构件环向接头和接缝防水的构造要求。

(a) 闭腔薄壁截面 (b) ∏形截面

另外，在2个边纵肋之间，根据翼缘板的宽度和翼缘板的承载性要求可设置中纵肋。沿构件纵向，可根据构件长度及纵肋的局部稳定性要求，设置一定间距的横隔板。为适应地下结构正负弯曲双向作用，在构件背土侧设置另一侧翼缘板，这样便形成了由上下翼缘、边纵肋、端头板等薄壁结构组成的闭腔薄壁构件(如图1所示)。

∏形构件(见图3(b))仅设置1道翼缘板，为满足正负弯曲双向作用的要求，需要加大边纵肋板的厚度。∏形预制构件裸装修时，可表现出其独特的建筑装饰效果，可在车站等地下工程的顶拱或顶板结构中采用。图4为∏形预制构件装配式地铁车站站厅层效果图。

图4 ∏形预制构件装配式地铁车站站厅层效果图

一般情况，T形和工形截面的翼缘板厚度较薄，较难满足接头设置的要求，尤其是T形构件，对于双向受弯的地下结构，不能较好地发挥其承载性能。因此装配式地下结构的构件进行轻量化设计时不建议采用T形或工形等截面型式的构件。

1.2 优化结构组合

采用型钢混凝土结构或钢-混组合结构等型式，对混凝土结构进行优化组合，是混凝土构件轻量化的有效途径，在地面建筑及地下工程的内部结构中应用广泛。但作为地下工程的衬砌结构，应采取措施确保结构的耐久性； 同时组合结构的造价较高，需要论证其经济性。

1.3 提高材料性能

选用高性能材料是达到构件轻量化要求的另一途径。提升材料性能，例如采用高强度混凝土材料、采用钢结构等，在满足同等承载能力条件下，可有效降低构件质量。虽然采用低容重混凝土材料能够有效降低混凝土结构的容重，例如轻骨料混凝土、多孔性混凝土等，但这些材料脆性大，一般只适用于房屋墙板、轨顶风道等受荷较小的内部结构，而不适用于地下承载结构，尤其是衬砌结构。

2 闭腔薄壁构件力学性能研究

闭腔薄壁构件形式复杂，故在受力后的传力途径也相对复杂； 同时，空腔大小及各主要部件的构造参数对构件的力学性能影响也较大。为此，对装配式地铁车站结构工程中采用的闭腔薄壁构件力学性能进行了深入研究，其研究成果对闭腔薄壁构件截面设计具有重要的指导意义。

2.1 截面剪力滞效应

2.1.1 基本概念

初等梁理论中，截面应变符合平截面假定。构件弯曲后，钢筋应变与混凝土的应变相同。截面各点应变与该点到中性轴的距离成正比，即离中性轴同一距离的截面正应力沿梁宽度方向是相等的。对于带有梁肋的T形梁、工形梁、∏形梁或箱形梁等构件，在受弯作用下产生内力和变形，是通过梁肋的剪切变形传递给翼板； 而剪应变在向翼缘板内横向传递的过程中是不均匀的，使得翼缘板的正应力随着离梁肋的距离增加而减小，这种现象被称为“剪力滞后”，简称剪力滞效应[6-9]。

2.1.2 工程界研究和应用现状

在建筑和桥梁工程领域，国内外学者对剪力滞效应进行了大量研究。衡量剪力滞效应大小的主要指标是剪力滞系数(考虑剪力滞效应时的翼缘板正应力与按初等梁理论求得的翼板正应力之比)。剪力滞系数与梁的跨宽比、截面形式和尺寸、截面在跨内所处位置等因素有关，通常应力峰值大于按初等梁理论计算出来的值。如果工程设计时忽略剪力滞后效应的影响，可能导致梁截面的破坏。据文献报道，国内外早年的桥梁工程中出现过不少因对剪力滞后效应考虑不周、不能满足翼缘板的承载力要求而出现裂缝，造成桥梁的失稳和局部破坏的现象[6]。

工程界在对各种带肋梁的剪力滞效应进行分析的基础上提出了受压区翼缘“有效计算宽度”的概念，即将翼缘实际宽度折减为有效计算宽度，并假定在有效宽度范围内应力均匀分布，有效宽度以外的翼缘不起作用，使有效宽度按初等梁理论算得的应力值和实际的峰值接近，以满足翼缘板承载力的要求，确保结构的安全。目前，这种翼缘“有效计算宽度”的方法已被各国规范广泛采用[10-11]。

2.1.3 闭腔薄壁构件剪力滞效应分析

2.1.3.1 剪力滞系数

地下结构与建筑或桥梁工程的受力环境及荷载作用特性不同，尤其是应用于装配式地下结构的预制构件，应考虑结构受力、接头构造、防水性能等要求，且所确定的闭腔薄壁构件在构造形式和尺寸方面与桥梁工程的箱型梁结构存在一定的差别。为进一步探讨这一带肋闭腔薄壁构件的力学行为特性，以长春地铁装配式车站结构为例，选取3环实际装配式车站结构，建立地层-结构三维连续介质模型进行整体有限元分析，研究每块构件不同部位的截面在实际荷载作用下的内应力分布特征[3-5]。

研究发现，闭腔薄壁构件在偏心受压作用下，上下翼缘的正应力在横截面的分布不均匀，与肋板交汇处大、中部小，存在典型的剪力滞效应，截面应力峰值较初等梁理论计算值有所放大，最大正剪力滞系数为1.01～1.11。闭腔薄壁构件截面正应力分布示意如图5所示。

2.1.3.2 影响剪力滞效应的主要因素

对于装配式车站结构，构件构造、截面位置、截面几何特征及轴力大小作用等是影响剪力滞效应的主要因素。

图5 闭腔薄壁构件截面正应力分布示意图(显示比例放大后效果)(单位： MPa)

1)构件形式和位置。长春地铁装配式车站整个衬砌结构共7块构件。其中，底板和侧墙构件基本为直构件，其最大正剪力滞系数为1.01～1.08，以1.05左右为主，整体变化幅度不大；顶拱块最大正剪力滞系数为1.01～1.66，以1.02左右为主，主要为压应力。位于拱脚处的截面，内外剪力滞系数均较大，且范围很小，分析其主要原因是接近支座范围的局部应力集中明显而导致应力的跳跃。可以看出，整个装配式结构，除个别截面外，各构件的剪力滞系数基本为1.01～1.05，截面应力基本接近初等梁理论计算值，剪力滞效应整体较弱。

2)纵向肋板的净距。纵向肋板的净距对剪力滞效应影响较大，净距越大，剪力滞效应越明显。当纵肋净距达到660 mm时，截面正应力峰值接近初等梁理论计算值； 超过这一临界值时，剪力滞效应逐渐加大。对于2.0 m环宽的实际构件，两边纵肋的净距为1.494 m，在其中间部位设置厚度为200 mm的中纵肋后，则边纵肋与中纵肋的净距为647 mm，略小于660 mm的临界值，剪力滞效应比较微弱。

3)截面位置。构件接近支座的空腔截面较中部的空腔截面剪力滞效应明显，例如拱顶的拱脚部位、底板的墙角部位及侧墙的中楼板部位等，这些部位因支座效应的存在，导致局部应力集中，因而其空腔截面的表观剪力滞效应较明显。实际工程中应尽量避开在支座位置设置空腔截面，或通过加大翼缘板的厚度来消除或减弱剪力滞效应。

4)轴力作用。纯受弯构件较偏心受压构件的剪力滞效应明显，显示出轴力对改善截面剪力滞效应有一定的作用。

总体来看，地铁车站装配式结构闭腔薄壁构件与桥梁工程的箱形梁相比，剪力滞效应影响程度相对较弱。主要原因有： 闭腔薄壁构件为整体封闭式截面，翼缘板无外挑； 设置了中纵肋； 间隔一定的距离设置了横隔板；在接头端头和支座处采用了实心截面； 增加大拱脚支座附近的翼缘板厚度，这些构造特征可有效降低截面剪力滞效应。另外，所有构件都在巨大的围岩压力作用下产生较大的轴力作用，因此剪力滞效应减弱。

2.2 截面剪应力分布规律

我国现行GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[10]规定，T形、工形截面的钢筋混凝土受弯和偏心受压构件，受剪截面计算宽度为腹板宽度，计算高度为截面有效高度，即规定T形、工形截面的剪应力100%由腹板承担(含腹板与翼缘板的相交部位)。国内有不少学者在这方面做过相关研究[12-14]。

对于闭腔薄壁构件，研究发现，在剪力作用下剪应力出现了与T形和工形截面相同的分布规律。其剪应力主要分布于3条纵肋上，其中，2条边纵肋承担的剪力各约占32%，中纵肋承担的剪力约占36%，全截面剪应力100%由纵肋板承担。典型断面剪应力分布如图6所示[5]。

(a) 理论直构件剪应力分布 (b) 实际构件剪应力分布

2.3 构造参数对构件的力学性能影响

闭腔薄壁构件结构型式复杂，为此建立三维实体模型，对构件不同部位的构造参数，包括翼缘、纵肋、横隔板、端头板的尺寸和构造及空腔率等，对构件力学性能的影响进行研究[3-5]。

2.3.1 翼缘、纵肋及横隔板厚度的影响

当翼缘板厚度达到200 mm时，翼缘的应力趋于稳定； 纵肋的设置和尺寸不仅对截面抗剪性能影响大，而且影响截面剪力滞效应； 横隔板对控制闭腔薄壁的畸变作用明显。

2.3.2 构件端头板厚度的影响

构件端头板的设置意义重大，端头板直接与环向接头连接，是构件轴力和弯矩的重要传递部位，其厚度即端头实心段的长度应能确保实心截面与空腔截面之间应力的完整过渡。研究发现，端头板的厚高比不宜小于0.43。

2.3.3 内部空腔率的影响

闭腔薄壁构件内部设置空腔是构件轻量化的主要手段，但空腔的大小直接影响构件的应力水平，合理确定空腔率是必要的。通过各种形式多工况的数值分析可知，闭腔薄壁构件的经济空腔率不宜大于20%[3]。

3 闭腔薄壁构件结构设计要点

3.1 闭腔薄壁构件设计计算分析

3.1.1 基本原则

对于特殊的闭腔薄壁构件，在结构整体作用效应分析时需要考虑构件的薄壁及闭腔空间效应，因此建议采用实体单元模型进行结构计算。同时，应考虑结构应力传递路径和接头传力效应对构件不同部位横截面应力的影响，并根据应力分布特征合理确定各关键部位的构造尺寸，必要时应对各薄壁板肋结构进行局部受力和稳定性验算。

3.1.2 正截面承载力计算

装配式车站等地下结构的闭腔薄壁构件是典型的偏心受压构件，且存在一定的截面剪力滞效应，设计计算时需要考虑其影响。

我国现行GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[10]没有对箱形截面的承载力计算给出规定，可将箱形截面转化为工形截面。规范[10]规定，工形截面偏心受压构件的受压区翼缘宽度可采用有效翼缘计算宽度进行正截面承载力计算。针对上述的长春地铁装配式结构闭腔薄壁构件，根据规范计算结果，有效翼缘计算宽度均大于实际构件的翼缘宽度。

我国现行JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[11]给出了箱形截面梁在腹板两侧上、下翼缘有效宽度的计算方法。参考本规范规定，对上述同样的闭腔薄壁构件进行翼缘有效宽度计算，翼缘有效宽度的计算系数为1.0～1.15，大于1.0。

以上规范计算结果表明，闭腔薄壁构件采用受压区翼缘有效宽度计算法时，均可按实际宽度计算。在实际工程设计中，一般不用具体计算每个截面的剪力滞，可以通过研究并认识到剪力滞效应影响后，采用有效宽度的设计方法进行计算，以简化设计。

鉴于隧道承载结构的受力环境、荷载特点、力学行为特征、构造要求等一系列因素均与各规范给出的边界条件存在较大的不同，适用性存在一定的偏差，即闭腔薄壁构件剪力滞效应影响的客观存在，且影响程度相对较弱，建议在结构正截面承载力计算时，截面应力或弯矩可以按初等梁理论的计算结果乘以剪力滞系数来近似考虑剪力滞效应的影响。

3.1.3 斜截面承载力计算

抗剪承载能力设计应考虑闭腔薄壁构件截面剪力分布特征，可按纵向板肋承载100%的剪力设计值进行斜截面承载力设计计算。

3.1.4 正常使用极限状态验算

闭腔薄壁构件正常使用极限状态的裂缝控制验算和挠度验算应按现行国家标准GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[10]的相关规定执行。

3.2 内部空腔设置

预制构件在生产过程中，可在钢筋笼内设置若干独立的轻质材料芯模，浇筑混凝土后形成闭腔薄壁构件； 芯膜与钢筋笼之间应设置垫块，满足钢筋的混凝土保护层厚度要求。综合研究成果，内部空腔可参考如下规则设置：

1)在构件横截面方向的空腔长度不宜大于800 mm，且横截面空腔率(空腔面积/外轮廓面积×100%)不宜大于30%。

2)构件纵断面方向空腔长度不宜大于3.0 m，且构件整体空腔率(空腔体积/外轮廓体积×100%)不宜大于20%。

3)内部空腔周边宜设置圆顺的倒角，且倒角圆弧半径不宜小于100 mm； 当内腔空间尺寸较大时，倒角圆弧半径宜加大。

3.3 翼缘板结构设计

上下翼缘板是闭腔薄壁构件最重要的抗弯结构，上下翼缘板的外边缘纵向受力钢筋应根据截面极限状态计算配置，临近空腔的内边缘纵向钢筋可按翼缘板构造配置，配筋率不宜小于0.3%。

除应进行构件整体计算分析外，还应根据上下翼缘板的实际荷载作用状况进行翼缘板局部承载力验算。

虽然截面剪力100%均由纵向肋板承担，但考虑到翼缘板的局部承载作用，以及各纵肋结构的整体性，应在翼缘板全截面设置至少1层封闭套箍，且内外纵向钢筋之间可设置单支拉结筋。

鉴于地下结构的作用特点及防水性能要求，迎土侧翼缘板的厚度不宜小于250 mm。

3.4 纵向肋板结构设计

纵向肋板是闭腔薄壁构件的重要组成部分，其结构设计要点如下：

1)纵向肋板结构在进行构件整体计算分析的基础上，应根据构件纵向空腔长度及内力作用进行局部稳定性验算。

2)纵向肋板应满足截面抵抗轴力、弯矩和剪力作用要求，纵向肋板的厚度不宜小于200 mm。

3)纵向肋板与翼缘板重叠范围的纵向钢筋依据翼缘板所需受力钢筋配置，翼缘板以外的侧面纵向钢筋可按构造配置，配筋率不宜小于0.3%。

4)纵向肋板应按承载100%的剪力设计值进行斜截面抗剪承载力设计计算和配置箍筋，并应按肋板全截面设置至少1层封闭套箍，两侧纵向钢筋之间可设置单支拉结筋。

5)纵向肋板的封闭套箍应与翼缘板的封闭箍筋交叉重叠，满足钢筋笼整体稳定性要求，如图7所示。

6)中纵肋应根据构件横截面大小、横向空腔尺度要求及构件的受力要求进行设置，可以不设置或设置多道。

图7 空腔截面翼缘、纵肋箍筋及拉结筋布置示意图

3.5 横隔板设计

横隔板应根据构件纵向长度、纵向肋板的受力稳定性要求及纵向空腔尺度的构造要求设置，横隔板结构设计要点如下：

1)横隔板的厚度不宜低于纵向肋板厚度，并宜按构造配置钢筋。

2)应在横隔板全截面设置至少1层封闭套箍，两侧纵向钢筋之间可设置单支拉结筋。

3)横隔板的封闭套箍应与翼缘板、纵肋板的封闭箍筋交叉重叠，满足钢筋笼整体稳定性要求。

3.6 端头板结构设计

闭腔薄壁构件两端的环向接头部位，应设置一定长度的实心结构，确保空心部位向实心部分的应力过渡完成，不干扰接头的受力，同时减弱空腔截面的剪力滞效应。根据研究，推荐实心端头板长度与构件截面高度之比不宜小于0.45，且长度不宜小于300 mm。端头板的配筋应与翼缘板和纵向肋板相协调，主要受力钢筋应贯通，并满足构件端部的承载力要求，并应进行斜截面抗剪承载力及配筋设计。

4 结论与建议

地下结构承受较大的水土荷载作用，构件体量大，故轻量化设计具有一定的必要性，闭腔薄壁构件是地下结构轻量化的较好选择。闭腔薄壁预制构件设计关键技术总结如下：

1)闭腔薄壁构件与带肋的T形、工形和箱型截面构件类似，存在典型的剪力滞效应，但影响程度相对较弱，实际工程应用中宜计入其影响，或可通过数值分析和试验研究确定。

2)在剪力作用下，闭腔薄壁构件截面剪应力出现了与T形和工形截面相同的分布规律，主要分布于各条纵肋上，全截面剪应力100%由纵肋板承担。

3)闭腔薄壁构件内部空腔率和翼缘板、纵向肋板、横隔板、端头板等结构构造特点对构件力学性能具有一定的影响，设计时需要结合工程具体情况，掌握构件的力学行为特性，合理确定闭腔薄壁构件的截面型式和构造措施，减少剪力滞效应影响，满足设计要求。

4)地下结构轻量化研究和应用尚有较大的拓展空间，希望行业内广大专家和专业技术人员给予充分关注。