地铁车辆段装配式结构形式研究*

张宏亮，高 耀，李志强，尹 俊

(中铁建工集团第五建设有限公司，广东 广州 511400)

0 引言

目前国内装配式混凝土框架结构技术已有广泛应用，但大多数装配式构件安装技术仅限于单一的房建工程或铁路、市政桥梁工程，在地铁车辆段尚未有成熟的装配式结构应用。目前装配式结构应用较为广泛的方向偏于结构形式单一、点面较小的住宅类或公寓类工程，或是偏于呈线性的桥梁工程，此类工程有适于装配式结构应用的良好条件。但在面广非线性的工程中，传统装配式结构形式往往不适用，相应的构件、构造节点、抗震性能达不到要求，或是没有相应技术标准。然而非线性和占地广的项目数量较多，如厂房类工程，地铁车辆段和停车场等综合性建筑，在此类建筑类型中研究装配式结构的可行性和应用有较好的前景，也十分必要[1-2]。

1 工程概况

广州地铁11号线全长约44.2km，全部采用地下敷设方式，全线共设车站32座，赤沙车辆段1座，主变电站3 座。11号线为广州市中心环线，也是广州地铁首条环线，基本环绕广州中心城区。全线仅设置1座车辆段，兼顾“车辆段+停车场”功能。

赤沙车辆段为广州地铁11号线的配套站后设施，主要用于11号线的列车停车与检修。车辆段设计占地面积29.4万m2，设计建筑面积为36.2万m2，停车检修共90列位。原设计地下及地上各1层，结构形式为现浇混凝土结构。为缩短建设周期以及推动装配式结构在地铁建筑中的快速发展，计划以本车辆段工程为试点，对地铁车辆段建筑进行装配式结构可行性研究和探索。

2 装配式方案研究

目前装配式主要分为房建装配式和公路铁路桥梁装配式。房建装配式集中在住宅和公寓，包括水平结构的叠合楼板、竖向结构墙体、楼梯、门窗、外墙板等。公路铁路桥梁装配式则集中在装配式箱梁、装配式墩台等[3-4]。

2.1 房建装配式形式

传统房建方案以常规施工顺序为基础，采用现浇混凝土叠合梁+双T板，通过梁侧板与楼层板整体预制，兼作梁侧模，为现浇混凝土模板提供必要的支撑，取消施工临时支撑。房建装配式结构形式主要以小构件、轻型构件为主，如混凝土预制叠合梁、叠合板等。此类结构形式工艺成熟，施工速度快、效率高。但对于车辆段大跨度结构以及涉及预留的上盖物业开发结构，叠合梁板等结构受力性能远不能满足要求。

因房建常用装配式构造及节点对于本工程大荷载大跨度结构形式以及涉及预留的上盖物业开发结构适用性不足，传统房建装配式对地铁车辆段类建筑可行性不足。

2.2 桥梁装配式形式

针对车辆段重载的特征，公路铁路桥梁装配式比较接近。引入桥梁设计预制理念，将地铁车辆段划分为若干条“线状桥梁”结构，采用箱梁构件，解决重载问题。采用预应力体系，参照大跨桥梁结构，预制构件引入预应力，解决大跨度问题。

桥梁装配式可以很好地解决车辆段的“重载+大跨度”问题，但桥梁装配式竖向结构墩柱过于密集，无法解决车场“大空间”问题。

2.3 初步确定装配式形式

盖板水平结构仍采用桥梁装配式的“简支箱梁+预应力”结构体系，而柱墙等竖向结构采用房建类“预制墙柱构件”形式。该装配式结构形式装配率可达75%，采用传统轮胎式架梁机等装备也能满足施工需求。初步确定的装配式结构形式如图1所示。

图1 初步确定的装配式结构形式

2.4 初步确定的装配式结构问题分析

初步确定的装配式结构需解决以下结构安全和超限设计问题。

1)梁柱节点的可靠性 箱梁与现浇柱节点连接和嵌固锚固的可靠性有待进一步验证。

2)结构抗震性能的安全性 该结构为非常规建筑结构体系，抗震的屈服机制和安全性需校正。

3)超限设计审查 该新型结构体系超出现有规范结构体系设计范围。

4)面临的梁柱节点问题主要表现在抗震作用下的受力可靠性问题，如图2所示意。

图2 梁柱节点

在明确初步确定的装配式方案后，结构设计单位进行相关结构计算，并提交多轮高级别专家评审及结构超限预审查，明确了“竖向墩柱构件调整为现浇结构，纵横梁柱节点结构调整为现浇结构、增加面层叠合混凝土现浇”的大幅修改原则。

同时明确在此基础上进行节点力学性能、1∶10振动台、1∶1试验段建设验证等相关试验，取得试验数据后开展施工图设计。

2.5 梁柱节点试验验证

节点设计受力和构造相对较为复杂，通过节点模型试验验证梁柱节点的可靠性，主要考察验证静力荷载下的传力机理、变形性态与承载性能。

为考察节点在静力荷载下的传力机理、变形性态与承载性能以及在低周往复荷载作用下的抗震性能与滞回特性，包括破坏过程、失效模式、极限承载力、延性特征和耗能能力等，验证结构设计中的数值计算结果，保证结构安全性，进行关键节点的结构试验。

通过模型试验，发现节点受力存在缺陷，经过综合优化，原节点装配连接方案改为后浇方案，外墙板等竖向装配同时改为现浇方案。

2.6 振动台试验验证

为明确结构的薄弱部位，研究上盖物业建筑刚度突变、竖向构件转换、扭转等对结构抗震性能影响的规律，验证设计方案，进行了振动台试验，模型采用1∶10 缩尺比例，检验结构在地震动作用下的整体动力响应和转换层抗震性能以及超限高度的地铁上盖高层建筑结构的抗震性能。

试验方案采用相似设计理念，从几何性能、材料性能、模型、荷载、动力等方面设计试验，相关参数如表1和表2所示。

表1 试验方案相似设计1

表2 试验方案相似设计2

地震工况设计中，试验中台面振动激励方式采用天然波和人工波两种分别进行，如表3所示。

表3 地震工况设计

结构地震反应与震害结果如下。

1)7度多遇地震作用下 自振频率基本不变；试验y向、x向最大层间位移角分别为1/909，1/980，小于广东省标准DJB15—92—2013《高层建筑混凝土结构技术规程》中限值(1/800)，满足规程要求，无明显可见裂缝、变形等破坏。结构基本处于弹性状态，基本满足小震不坏的抗震要求。

2)7度设防地震作用下y向和x向自振频率下降10%左右；柱中、柱牛腿平台和预制梁段均产生微裂缝。模型结构已进入弹塑性阶段，满足中震可修的抗震要求。

3)7度罕遇地震作用下y向和x向自振频率下降25%左右；柱中、柱牛腿平台和预制梁段均产生明显裂缝，剪力墙连梁产生多条竖向微裂缝；y向、x向最大层间位移角1/235，1/250，未超出限值(1/120)，满足大震不倒的抗震要求。

此结构形式经振动台试验，抗震性能指标基本满足安全要求。经过节点试验和振动台试验，进行相关优化和改进，此新型装配式结构体系亦通过了超限设计审查。

2.7 试验段工艺验证

试验段主要从以下4个方面进行验证：箱梁构件制作工艺验证、架梁工艺、连接节点施工、施工工效验证。

1)检验可实施性 采用试验段形式对设计可实施性进行验证，对柱体、制梁、湿接缝和铺装层的工艺进行验证和改进。同时，确定合理优化的施工架设设备。

2)验证和改进施工工艺 预制构件的制作工艺、混凝土施工条件、方法及技术要求，确定合理的预制构件制作工艺。

3)预制构件共计39件，其中箱梁27件，纵梁12件。预制构件尺寸按 1∶1 比例，如图3所示。

图3 工艺试验段预制构件尺寸

2.8 最终装配式结构形式

经过多轮专家审查和相关试验以及深化设计，最终确定了车辆段的装配式结构形式如下。

1)车辆段采用装配式方式代替现浇，形成地铁车辆段装配式结构体系。

2)盖板水平结构采用简支箱梁+预应力体系结构；柱墙等竖向结构采用房建体系现浇结构。最终装配式结构形式如图4所示。

图4 最终装配式结构形式

3 关键节点和构造研究

关键节点主要有梁柱相交节点，在类似地铁车辆段工程中，梁柱构件含钢量较高，柱构件和梁构件均几乎满布钢筋。梁构件和柱构件的节点构造和连接对整体抗震性能和后续施工实施有很大的影响。梁柱节点的难点：①在满足抗震要求下，梁柱节点连接可靠性问题以及满布钢筋科学合理连接问题；②梁构件与梁构件之间连接的可靠性问题以及纵梁和横梁与柱碰撞性问题。

为解决以上问题，对梁柱构造节点进行分析和工艺试验。

1)梁与柱节点 柱体采用现浇方式，预留竖向钢筋，在主体上设置竖向牛腿，增加梁构件与柱构件的搁置接触面积，增加抗震性能，同时又有利于解决梁构件钢筋与柱构件钢筋密集碰撞问题，如图5所示。

图5 典型梁柱节点

2)梁与梁节点 引入湿接缝+叠合面层设计，既能解决相邻梁体之间的连接可靠性问题，又能加强纵横梁抗震性能和结构的整体性，如图6所示。

图6 梁与梁节点连接

4 结构体系技术经济效益分析

地铁车辆段装配式结构体系属于新型结构体系，既满足地铁公共建筑重载的功能性需求，又适于工业化生产。由于构件的预制化生产，可以把施工现场大量的重复性工作利用高度机械化和自动化的预制生产线进行工业化生产，构件制作工时占总工时的65%，安装占20%～25%，运输占10%～15%，可以很大程度缩短建设周期，有利于快速推进地铁等基础设施建设。广州地铁11号线赤沙车辆段的建设周期原定为36个月，经过分析和论证，装配式结构体系建设周期可压缩至28个月，整体工期缩短25%。

在具体建设实施过程中，装配式结构相比于传统现浇结构可节约大量支模支架体系。与传统现浇建造方式相比，地铁装配式结构基本上无需模板支架和支撑龙骨，支模模板和钢管支架可节省95%，同时工厂化施工减少了钢筋废料的产生，减少了养护用水和现浇混凝土泵车及罐车冲洗用水，由于装配式项目涉及较多的构件吊装，施工耗电量没有显著降低。

5 结语

最终确定的装配式结构，结构安全和超限设计问题基本上得到解决，但施工装备、架梁设备选型上出现新的难题。车辆段装配形式为纵横双向而非线性，与常规房建和桥梁装配式相差较大，同时存在现浇作业以及盖板面现浇叠合层作业，传统架桥机、门式起重机不能很好满足施工架设要求，是后续施工需进一步解决的难题。