预制装配式UHPC站台板结构技术研究

喻 波, 王呼佳, 高 鲲, 邹 育

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

0 引言

近年来国内学者[1-3]对装配式地下车站展开了大量的研究，相关研究成果已得到了应用。目前，国内已建和在建的装配式地铁车站超过40个，装配形式分叠合装配式和全预制装配式2种，主要应用在长春、青岛、深圳等城市[4]。根据已通车的装配式车站可知，装配式车站分块尺寸大、质量大，对运输路线、施工场地和施工设备要求高，且造价较高。相对于整体装配式车站，装配式车站内部结构的尺寸更小，对施工设备要求更低，且不受周边环境和工程地质的影响，更容易推广应用。

车站的内部结构主要分为站台板、轨顶风道、楼梯和隔墙等，一般在车站主体结构封顶后实施。地铁车站内部结构基本都是采用现浇混凝土结构，施工过程中存在工期紧张、工序繁多、工程质量难以保证的问题。为此，装配式车站内部结构的需求非常迫切。

装配式内部结构在房屋建筑[5-7]和大直径盾构隧道[8-9]中已广泛应用，而在地铁车站中还处于初步发展阶段。一些学者对地铁车站装配式内部结构进行过研究，如：路清泉等[10]论证了明挖和暗挖法车站的装配式站台板方案，提出了装配式站台板拆分设计和连接接头思路；苏立勇等[11]提出了轨顶风道的整体预制方案和后装方案；张明海等[12]将地下车站预制楼梯应用于上海地铁车站，但预制构件主要采用混凝土材料。常规混凝土预制构件的尺寸和质量相对较大，受限于车站内施工空间，预制构件运输和拼装难度较大，施工工期较现浇混凝土没有较大的改善，拼装精度也不高。

本文以广州地铁14号线2期某在建标准车站为工程依托，对预制站台板的设计和施工方案进行研究，提出一种质量轻小、施工便利、拼装工期短的预制装配式UHPC站台板设计技术，并对设计方案进行数值模拟计算和现场拼装试验。

1 工程概况

广州地铁14号线2期某在建标准车站公共区长120 m，有效站台宽12 m，车站主体采用明挖法施工。结构设计使用年限为100年，永久构件的安全等级为一级，相应的结构构件重要性系数取1.1。按荷载基本组合和准永久组合进行计算，设计标准如下：裂缝宽度小于0.3 mm，站台板挠度小于L0/250(L0为站台板的净跨)，柱的位移角小于1/550。站台板除了考虑常规的竖向荷载，还需考虑轨行区风压和乘客挤压产生的水平荷载，以及电缆支架对π柱产生的偏载(单个π柱按4个电缆支架考虑)。考虑站台板人群和设备竖向活荷载分布的不确定性，设计时统一按较大值8 kN/m2考虑。站台板结构荷载汇总如表1所示。

表1 站台板结构荷载汇总表

采用现浇混凝土站台板方案时，站台板厚200 mm，由3排柱子和2排墙体支撑，柱间距为3.5 m，尺寸为300 mm×300 mm，墙体厚度为200 mm。标准段现浇混凝土站台板剖面如图1所示。由于本站工期紧张，现浇混凝土站台板方案难以满足要求，为此，需要采用一种工期短、质量有保证的预制装配式站台板的方案。

图1 标准段现浇混凝土站台板剖面图(单位：mm)

2 设计方案

2.1 材料选择

预制装配式站台板结构材料采用UHPC(超高性能混凝土)，UHPC是一种以高强度水泥和超细掺合料为胶凝体系的材料。相较于传统混凝土，UHPC抗压、抗折性能更好,具有防渗透能力强、可塑性强、耐久性高等优点[13]，适用于制备轻薄构件。目前，在桥梁预制拼装领域应用广泛。

在进行原材料配比试验后，选取UHPC材料的配比参数如下：水胶质量比为0.16，砂胶质量比为1.2，胶材组成为75%水泥+15%硅灰+10%矿渣，钢纤维的体积掺量为1.5%。通过标准试件力学性能测试后，得出相应配比的UHPC抗压强度为128.4 MPa，抗折强度为27.1 MPa，弹性模量为43.62 GPa。

2.2 预制站台板方案

2.2.1 预制站台板分块设计

预制站台板结构由预制站台板和预制π型支墩组成。车站纵向按每3 m组成1个标准单元预制站台板考虑，每个标准单元由5个π型支墩和8块站台板构成，其横向总宽度为12 m。标准单元预制站台板平面布置如图2所示。标准段预制站台板A-A剖面如图3所示。

图2 标准单元预制站台板平面布置图(单位：mm)

图3 标准段预制站台板A-A剖面图(单位：mm)

π型支墩长2.99 m，宽0.3 m，由2根柱和1根横梁组成的π型整体构件。单个π型支墩质量约0.77 t，其中，π柱尺寸为150 mm×300 mm，π横梁尺寸为300 mm×220 mm。

单块站台板横向跨度为2.99 m，纵向长1.49 m，板厚80 mm；每块站台板有3个肋梁，中肋梁宽300 mm，两侧肋梁宽100 mm，肋梁高都为150 mm，单块站台板总质量约1.11 t。

临轨行区的π柱上预留了电缆支架安装吊点，并在立柱对侧增加了分隔板。分隔板与π型支墩在工厂一体预制，拼装完后将站台板与左右线轨行区隔断，避免串风。

标准单元预制站台板沿车站纵向方向的单延米质量约4.3 t，而常规预制钢筋混凝土站台板和板下墙结构厚度一般为200 mm，单延米质量约8.8 t，UHPC预制站台板质量相当于预制混凝土站台板质量的1/2。

2.2.2 接头连接设计

UHPC预制站台板连接形式简单，接头较少，只有π型支墩柱脚与底板及π型支墩横梁与站台板存在连接接头。

2.2.2.1 π型支墩柱脚与底板连接

π型支墩柱脚与底板结构采用刚性连接，π柱与底板连接节点如图4所示。通过在底板上预埋或植入钢筋，再用横向钢筋穿过π柱预留的孔洞，最后通过现浇混凝土块将π柱固定在底板上，其中π柱与底板预留100 mm的施工误差，避免了因底板的不平整而影响后续π柱的安装。

(a)连接节点平面

2.2.2.2 π型支墩横梁与站台板连接

π型支墩横梁与站台板采用柔性连接(见图3)，站台板肋梁与π横梁凹槽实现纵向卡扣连接，再通过M16螺栓将站台板中肋梁与π横梁预留套筒相连，实现站台板与π横梁的固定。

由于站台板边缘还需预留屏蔽门安装空间，为了将站台板做成标准件，同时提高站台板结构的整体性，待预制站台板拼装完后，在除屏蔽门的安装位置再浇筑1层约50 mm的现浇混凝土，内铺单层钢筋网片。

2.2.3 车站站台板布置

车站公共区站台板除局部扶梯底坑周边和受力较大的大跨度T字形楼梯段采用现浇方案，其余段采用预制方案。某标准车站装配式站台板布置如图5所示。本站公共区站台板总面积为1 440 m2,采用预制装配式UHPC站台板面积约1 130 m2，站台板预制率约78%,其中，预制π型支墩共174个,预制站台板共251块。

图5 某标准车站装配式站台板布置图

3 数值模拟分析

3.1 数值模型建立

采用Midas FEA/NX对预制装配式UHPC站台板结构进行有限元分析。预制站台板标准断面为对称结构，为了提高计算效率，建立半个标准单元预制站台板模型。预制站台板有限元模型如图6所示。

图6 预制站台板有限元模型

3.1.1 边界条件

站台板、π型支墩、连接螺栓三者之间采用“一般接触”模拟，考虑三者之间的碰撞和碰撞摩擦；π型支墩与底板的连接通过限定柱脚的平面位移和转角来考虑。

3.1.2 模型参数

预制站台板结构采用塑性损伤模型，材料参数取文献[14]和本试验材料中的较小值，即材料抗压强度取123 MPa，抗拉强度取10.55 MPa，密度取2 400 kg/m3，初始弹性模量取39.8 GPa，泊松比取0.2。

塑性参数中，剪胀角取30°，流动势偏移量取0.1，双轴受压与单轴受压极限强度比取1.16，不变量应力比取0.667，黏滞系数取0.000 5。

3.1.3 工况设置

鉴于站台板存在悬臂端和竖向活荷载的不确定性，除考虑常规的恒荷载和单边水平活荷载外，模型再选取3种工况进行分析。工况1：悬臂端竖向活荷载。工况2：单边竖向活荷载(只加载站台板1—2或站台板3—4)。工况3：全竖向活荷载。

3.2 数值结果分析

3.2.1 应力分析

工况1结构的mise应力云图如图7所示。工况2结构的mise应力云图如图8所示。工况3结构的mise应力云图如图9所示。由图7—9可以看出：1)站台板应力较大值主要出现在边跨悬臂端支座和中跨站台板跨中；π横梁应力较大值主要出现在π柱上方与站台板连接的凹槽处，π柱应力较大值主要出现在柱脚。2)3种工况下，结构最大mise应力分别为18.7、15.2、14.9 MPa，其中在悬臂端活荷载工况下结构产生的应力最大，但由于应力值均在19 MPa以内，远远小于材料抗压强度(123 MPa)，可忽略压应力的影响，应重点关注结构的拉应力分布。

图7 工况1结构的mise应力云图(单位：MPa)

图8 工况2结构的mise应力云图(单位：MPa)

图9 工况3结构的mise应力云图(单位：MPa)

工况1站台板的最大应力云图如图10所示。工况2站台板的最大应力云图如图11所示。工况3站台板最大应力云图如图12所示。由图10—12可以看出：1)3种工况站台板的最大主应力(正数为拉应力，负数为压应力)分别为4.97、6.22、6.23 MPa，最大拉应力均小于材料的抗拉强度(10.55 MPa)；2)拉应力较大值主要发生在边跨悬臂端支座和肋梁处，但整体分布相对均匀，未有明显的应力集中现象出现。

图10 工况1站台板的最大应力云图(单位：MPa)

图11 工况2站台板的最大应力云图(单位：MPa)

图12 工况3站台板最大应力云图(单位：MPa)

3种工况π型支墩应力分布基本一致，最大主应力值分别为5.5、7.0、7.1 MPa,均小于材料抗拉强度(10.55 MPa)。鉴于篇幅限制，仅选取π型支墩出现最大应力的工况3进行展示。工况3 π型支墩最大主应力如图13所示。可以看出：1)π型支墩拉应力的较大值主要集中在π横梁与中肋梁相接的凹槽处，这是由于中肋梁刚度最大，承受站台板主要荷载，且只有中肋梁与π横梁进行螺栓固定连接；2)π横梁跨中局部难以进行加强的凹槽薄弱处未出现拉应力；3)通过对与中肋梁连接处的π横梁设置腋角，π型支墩拉应力较大处得到了加强，增加了结构的安全度。为此,π横梁和站台板的连接设计方案比较合理。

图13 工况3 π型支墩最大主应力(单位：MPa)

除了关注π型支墩和站台板的应力外，π横梁和站台板之间的连接螺栓受力也非常重要。3种工况螺栓最大mise应力分别为85.95、87.14、90.04 MPa，小于M16螺栓抗拉强度(120 MPa)，代表连接部位处于安全状态。

工况3螺栓的最大主应力如图14所示。

图14 工况3螺栓的最大主应力图(单位：MPa)

3.2.2 变形分析

工况1竖向位移云图如图15所示。工况2竖向位移云图如图16所示。工况3竖向位移云图如图17所示。由图15—17可以看出：1)3种工况的站台板挠度主要发生在站台板跨中和悬臂端，最大挠度分别为1.34、1.81、1.79 mm，均远小于规范允许值L0/250(12 mm)；2)3种工况的站台板隆起量主要发生在站台板支座约束处，最大隆起量分别为0.11、0.10、0.07 mm。由于站台板与支墩搭接宽度为145 mm，远远大于支座的隆起量，只要支座连接螺栓不破坏，站台板就不会失稳。

图15 工况1竖向位移云图(单位：mm)

图16 工况2竖向位移云图(单位：mm)

图17 工况3竖向位移云图(单位：mm)

由于站台板水平荷载较小，站台板结构水平位移相对较小，3种工况下结构的最大水平位移分别为0.606、0.673、0.593 mm，远小于柱的水平位移限值h0/550(2.90 mm,h0为柱子的净高)，结构安全富裕度较高。在工况3的全活荷载作用时，由于竖向活荷载起有利作用，站台板水平位移最小；在工况2的单边活荷载作用时，偏心荷载会加大站台板的水平位移，该工况水平位移最大。

工况2水平位移云图如图18所示。

4 施工方案及技术经济分析

4.1 预制站台板施工方案

预制站台板先进行π柱定位安装，再进行分块站台板拼装。利用激光定位校准π柱平面位置，采用盘扣式钢管脚手架搭设临时支架，再将π横梁放置在支架顶托的槽钢上，通过支架顶托的调整确定π横梁标高，最后绑扎π柱柱脚与底板接头钢筋并浇筑混凝土，待混凝土达到强度后，即可进行临时支架拆除和站台板安装。UHPC预制站台板拼装示意如图19所示。

图19 UHPC预制站台板拼装示意图

π型支墩和站台板采用小型平板吊机进行运输和拼装，并利用人工辅助吊机对π型支墩进行局部微调，以保证其定位准确。整个拼装过程不受车站空间影响，安装顺序可由车站中间向两端拼装，也可由车站一端向另一端拼装，实际拼装顺序与现场施工班组数量有关。

4.2 现场拼装试验

π型支墩和分块站台板尺寸较小，质量较小，现场安排1名吊装司机和2名工人进行1个标准单元预制站台板的场外拼装试验。整个拼装过程比较顺利，拼装精度较高，平均每小时可完成2个π型支墩或3块站台板的拼装。

若按照8 h 1个台班计算，1个班组22 d可以完成1个标准车站的预制站台板安装；若多增加1个班组，π型支墩和站台板则可以按照流水作业，同时进行拼装，总安装时间可以减少1/2，2周时间可以完成1个标准车站的预制站台板安装。

4.3 技术经济对比分析

预制装配式UHPC站台板相对于常规现浇或预制混凝土站台板方案，构件尺寸更小，质量更小，拼装更简单，耐久性更好，对机械设备要求低，施工精度相对易控制。虽然在初期价格相对较高，但当规模化后，整体价格将与常规现浇混凝土站台板持平，同等人力物力投入条件下，能明显节约工期。站台板方案技术经济对比如表2所示。

表2 站台板方案技术经济对比表

5 结论与讨论

1)预制装配式UHPC站台板单个构件最大尺寸为3 m，最大质量为1.11 t，单延米平均结构质量相当于预制混凝土站台板质量的50%，单个标准车站的站台板装配率可达78%。

2)在设计荷载下，预制装配式UHPC站台板的应力和变形都较小，满足设计要求，其中站台板拉应力较大值主要发生在边跨悬臂端支座和肋梁处，π支墩拉应力的较大值主要集中在π横梁与中肋梁相接的凹槽处，其他位置拉应力较小，结构受力比较合理。

3)预制装配式UHPC站台板相对于常规现浇或预制混凝土站台板，构件尺寸更小，质量更小，耐久性更好，拼装更简单，施工精度更高，工期更短。

4)本文只对预制装配式UHPC站台板方案进行理论分析、有限元计算和现场拼装试验，下阶段将进行地震工况下结构稳定性分析和现场足尺模型荷载试验。