站臺板預制結構力學性能研究

翟 勇

(中鐵二十三局集團有限公司 四川成都 610072)

1 引言

傳統建筑行業常采用現澆方式[1]進行施工，存在材料及資源和能源消耗較大、建筑垃圾量大、施工環境差、現場粉塵污染大等問題。

建筑工業化[2-3]是當代建筑技術發展趨勢之一，預制裝配式技術也是未來發展方向的必然趨勢，是加快施工速度、提高工程質量、降低建設成本、改善作業環境的有效方法。

預制裝配式技術在地下工程領域主要集中應用于隧道管片的生產施工。封坤[4]等對大直徑盾構隧道施工過程中管片拼裝的結構力學特征展開研究；史英俊[5]對深圳地鐵盾構管片預制生產方法、管片存放與運輸及質量檢測方法展開研究。受到工程地質以及產業規模化等原因，裝配式施工技術在軌道交通地下車站應用較少，目前國內僅在長春地鐵應用了地鐵車站裝配式施工技術，有關學者也展開了相關研究。李兆平[6-7]等采用有限元和足尺加載試驗方法對預制裝配式地鐵車站結構榫槽式接頭的力學性能展開研究；陳久恒[8]對長春地鐵2號線袁家店車站裝配式施工方法展開研究，解決了拼裝形式、合理步序、構件吊運、定位糾偏及拼裝裝備研制等6項技術難題；鐘春玲[9]等結合國內首個預制裝配式地鐵車站，建立有限元分析模型，討論了車站節點在循環荷載作用條件下的力學特性和抗振性能。

地鐵車站一般都要作為盾構區間工作始發或到達場地，因此，站臺板等二次結構通常是在施工完成車站主體結構后，兩端區間的施工不需要占用站臺結構區域時，才能進行施工。目前，站臺板采用現澆法施工，現場存在施工工序多、施工周期長、資源投入多和作業環境差等問題，直接影響結構質量和施工工期，而預制裝配式施工技術可以有效解決地鐵車站站臺板現場施工難題。秦利珍[10]從質量、工期、成本和安全文明施工等方面對地鐵車站二次結構裝配式技術進行了探討。

本文對站臺板預制裝配式技術展開研究，對預制構件進行加載試驗以研究其力學性能，為站臺板在地鐵車站采用預制裝配式技術提供理論與技術支持。

2 裝配式站臺板試驗方案

2.1 站臺板預制方案

從經濟、環保、質量、工期和吊運安裝便捷性等方面考慮，經過多種混凝土材料對比，最終決定采用活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱RPC)進行構件預制生產。

RPC混凝土[11-12]具有耐高溫、耐火、耐久、抗腐蝕等性能，并具有抗壓強度和抗剪強度高等特點。對新型RPC混凝土開展配合比的優化、抗壓強度、抗折、抗彎、耐久性等一系列試驗，結構性能滿足規范對站臺板結構使用功能的需求。

以成都某地鐵車站為例，對站臺板結構型式進行預制方案的優化設計。采用現澆施工方法的站臺板設計形式如圖1所示。

圖1 現澆施工站臺板結構形式

綜合考慮站臺板的功能性、預制和安裝的便捷性，對站臺板結構進行了優化設計，其結構形式如圖2所示。

圖2 預制拼裝施工站臺板結構形式

站臺板預制結構為π型梁柱和面板的組合形式，兩種構件分別進行預制。其中π型梁柱通過灌漿套筒與底板連接，面板通過搭接的方式與π型梁柱連接。三維模型如圖3所示。

圖3 站臺板三維拼裝模型

2.2 新型材料預制站臺板力學性能試驗

為研究地鐵車站站臺板預制結構的力學性能，探討是否滿足設計承載力要求，對預制構件(站臺板面板和π型梁柱)進行力學加載試驗。對站臺板面板和π型梁柱各選取3個構件進行均布荷載加載破壞試驗，并監測其承載能力、變形情況及破壞模式。

利用靜力臥式加載裝置，即1臺最大推進力為30T的千斤頂配合1臺DYB-LA型電動油泵對預制構件進行加載；利用TST3826F動靜態應變測試儀，通過粘貼在面板表面的應變片，利用導線與測試儀相連，通過電腦進行測量觀察與記錄，對構件應變進行監測；采用1臺DY3825E靜態位移測試系統，將測針安置于構件跨中等設計點位處，用以對變形位移進行量測。

(1)π型梁柱

π型梁柱加載方案如圖4所示。

通過在試件表面粘貼應變片，利用TST3826F動靜態應變測試儀分析系統，對構件應變進行監測。通過靜態位移測試系統，將測針安置于構件跨中等設計點位處，對試件變形進行監測。試件應變和位移監測布置如圖5所示。

圖4 π型梁柱加載方案

圖5 試件應變和位移監測點位布置

荷載按照每次5 kN(0.5 t)的增量對試件進行加載，加載完成后，讀取試件應變、位移和裂縫數據，待數據穩定后開始下一階段加載直至試件破壞。

(2)站臺板面板

通過靜態位移測試系統，將測針安置于設計點位處，對面板試件變形進行監測。站臺板面板加載如圖6所示，應變和位移監測布置方案如圖7所示。

圖6 站臺板面板加載

圖7 預制站臺板面板監測布置方案

試驗荷載按照每次5 kN(0.5 t)的增量對面板試件進行加載，加載完成后，讀取試件應變、位移和裂縫數據，待數據穩定后開始下一階段加載直至面板試件破壞。

3 試驗結果分析

3.1 π型梁柱試驗結果

站臺板π型梁柱試件位移及應變與荷載關系如圖8所示。

在荷載加載初期，站臺板π型梁柱試件表面沒有出現裂縫，試件測點的位移和混凝土應變隨荷載呈線性增加；當加載至7.40 t時，試件中點右側30 cm位置出現1號裂縫并開裂貫穿下表面，隨后，隨著荷載的增加，裂縫逐漸擴展和發展；當加載至26.10 t時，1號裂縫寬度發展至3 mm，最終試件發生破壞。裂縫擴展如圖9所示。

圖8 π型梁柱位移及應力與荷載關系曲線

圖9 π型梁柱裂縫擴展

π型梁柱構件力學指標見表1。

表1 π型梁柱力學指標

進行破壞試驗時，裂縫均從試件底部出現，隨著荷載的增加，裂縫逐步擴展。構件發生破壞后，π型梁柱的兩翼和底柱均未發生破壞，因此建議π型梁柱應在梁中部加強設計，降低側翼和底柱的設計厚度，保證整個試件的極限承載能力相同，以降低試件預制成本。

3.2 站臺板面板試驗結果

(1)試件1

第1階段:試件表面無裂縫出現，試件測點位移和混凝土應變隨荷載呈線性增加。

第2階段:當加載至1.95 t時，試件跨中受拉區出現一條貫穿裂縫，隨后，隨著荷載的增加，裂縫逐漸擴展和發展；當加載至2.39 t時，裂縫擴展至1.5 mm。

第3階段:當加載至2.68 t時，試件跨中裂縫寬度2.5 mm，試件發生破壞。

(2)試件2

第1階段:試件表面無裂縫出現，試件測點位移和混凝土應變隨荷載呈線性增加。

第2階段:當加載至1.95 t時，試件跨中左側20 cm腹板位置開裂，隨后，隨著荷載的增加，裂縫逐漸擴展和發展；當荷載加至3.55 t時，跨中右側90 cm腹板位置表面裂縫貫通至翼緣底部。

第3階段:試件裂縫隨荷載的增加向受壓區擴展，最終試件發生破壞，破壞荷載為3.98 t。

(3)試件3

第1階段:試件表面無裂縫出現，試件測點位移和混凝土應變隨荷載呈線性增加。

第2階段:當加載至1.81 t時，試件出現裂縫，隨后，隨著荷載的增加，裂縫逐漸擴展和發展。

第3階段:試件跨中裂縫隨著荷載的增加向受壓區擴展，最終試件發生破壞，破壞荷載為2.24 t。

站臺板面板加載試驗具體的裂縫發展過程統計見表2，力學性能指標見表3。

表2 面板試件裂縫發展過程統計

表3 站臺板面板力學指標

進行站臺板面板破壞試驗時，裂縫均在試件跨中及其90 cm范圍內受拉區出現，隨著荷載的增加，裂縫逐步擴展，直至構件發生破壞。因此建議站臺板面板中部加強設計，保證整個試件的極限承載能力相同，以降低試件預制成本。

4 結論

地鐵車站二次結構采用預制裝配式施工方法具有縮短工期、提升施工質量、降低施工成本和提高安全文明施工程度等優點。本文通過研究分析，主要結論如下:

(1)地鐵車站站臺板采用RPC高強混凝土，保證了產品的強度、耐久性、穩定性，大大減小了產品重量，方便現場吊運安裝。

(2)試驗加載至7 t左右時，站臺板π形梁柱中間位置出現裂縫，隨著荷載的增加，裂縫逐漸擴展和發展；當加載至26 t左右時，裂縫貫穿，試件梁中部發生破壞。建議加強π型梁柱中部設計，降低側翼和底柱的設計厚度，保證整個試件的極限承載能力相同，降低試件預制成本。

(3)站臺板面板在荷載加至1.95 t左右時，跨中及其90 cm范圍內受拉區出現裂縫，隨著荷載的增加，裂縫逐步擴展；荷載加至5 t左右時，跨中裂縫位置開始破壞。建議加強站臺板面板中部受拉區設計，盡量使整個面板極限承載力相同。

本文僅對裝配式站臺板的結構力學性能進行了探討，并提出了優化方案，下一步將對裝配式站臺板的拼裝工藝、成本、施工進度和產品質量等進行綜合研究，為裝配式站臺板在城市地鐵車站的推廣提供可借鑒參考的技術資料。