地鐵車站預制拱形頂板的結構設計與施工關鍵技術

金 晶 賈吉敏 黃衛東

上海市機械施工集團有限公司 上海 200070

1 工程介紹

拱結構是建筑工程中常用的結構之一，是一種主要承受軸向壓力并由兩端推力維持平衡的曲線或折線構件。拱結構的跨越能力強，容易實現大跨結構；在結構受力方面，拱結構以承受軸力為主，受力合理，適用于常用建筑材料的施工；在地鐵車站建設方面，拱結構美觀大方，能為乘客提供舒適的候車空間。因此，上海軌交15號線吳中路站站廳層采用無柱大跨度拱形頂板結構。為提高施工效率、優化觀感效果，頂板施工采用預制＋現澆疊合的頂板施工技術。所謂預制＋現澆疊合的頂板，即底層采用預制雙肋拱形頂板拼裝技術[1-3]，快速形成拱形結構，與車站中板、地下連續墻共同建立受力體系。上層再進行鋼筋綁扎以及現澆混凝土施工，實現車站頂板強度與防水要求。車站頂板平面布置呈一端大一端小、南高北低的變截面結構，北端內凈尺寸19 280 mm，南端內凈尺寸為21 580 mm，總長93 600 mm。為使預制拱形頂板規格統一且方便運輸及現場拼裝，將原拱頂結構進行了設計優化。優化后的結構將預制層拱形頂板分割為30跨，每跨又分割成完全對稱的東西2個半跨，共60塊預制拱板。為保證施工效率以及施工質量，該工藝對預制雙肋拱形頂板的結構設計與生產工藝提出了非常高的要求。本文以此工程為例，對預制拱形頂板的結構設計與生產技術展開研究和探討。

2 預制拱形頂板的結構設計

三鉸拱是拱結構的一種，屬于靜定結構，以預制的三鉸拱結構作為二次澆筑混凝土的底模，可減小預制構件的長度和質量，方便運輸及現場吊裝；拼裝完成的三鉸拱結構受力合理，在無跨中支撐的條件下，能有效承載現場二次澆搗混凝土時產生的荷載，在拱殼結構施工中具有先進性。預制拱板構成的三鉸拱結構三維如圖1所示。

圖1 預制三鉸拱結構三維

3 預制雙肋拱形頂板的鋼模設計與加工

根據設計要求，吳中路站預制拱形頂底面要求達到清水混凝土觀感效果，且對預制拱形頂板制作精度要求非常高。因此決定采用大鋼模作為預制頂板的制作模具。預制拱形頂板長9 710 mm、高1 385 mm、寬2 950 mm，質量約16.7 t。頂板下表面圓弧半徑14 100 mm。整套鋼模由大底模、底板側模、端模、肋梁側模以及定位架組成，鋼模外形如圖2所示。

圖2 預制拱形頂板大鋼模外形

其中，大底模側板采用激光切割的方法制作該鋼模的弧度定型板，以保證拱形頂板弧度精度。同時，在拱頂和拱腳處設置垂直于法向的90°缺口與端模無縫拼裝，從而保證預制拱形頂板端部預埋鋼板和拱座上的預埋鋼板平行，以便拼裝時進行節點處理，并保證結構受力達到設計要求。定位架由螺栓固定的大底模上，肋梁側模固定在定位架上，肋梁側模端部利用定位銷與端模固定。此外，為保證預制拱形頂板現場拼裝完成后2個單元的桁架鋼筋能夠順利對接，在底板側模上開設了桁架鋼筋定位槽口。在端模上預留了螺紋孔，以保證預制拱板預埋鋼板的安裝姿態。本預制拱形頂板與上部現澆混凝土層在永久結構中為協同受力結構，因此施工時要盡量使兩者緊密貼合，融為一體。為實現這一目標，對肋梁側模內表面進行了特殊處理，使脫模完成后預制拱板的肋梁兩側形成毛糙表面，同時在生產過程中對預制拱板的上表面也進行了拉毛處理。大鋼模使用時先固定底模、端模以及底板側模，然后進行鋼筋綁扎以及預埋件安裝。完成后安裝肋梁側模以及定位架。

4 預制雙肋拱形頂板的鋼筋工程

本次吳中路站預制拱形頂板采用預制雙肋混凝土拱殼（以下簡稱預制拱殼），既能減輕構件質量、方便施工，還能提高構件的抗彎剛度，滿足吊裝和運輸要求。該預制拱殼的鋼筋主要由跨向鋼筋、鋼筋桁架、肋梁箍筋、外露箍筋、剪刀撐鋼筋以及鋼筋網片組成。預制拱形頂板配筋如圖3所示。

圖3 預制拱形頂板配筋

由于桁架鋼筋分布密、數量多，且決定了預制拱板縱向抗彎的能力，故采取鋼筋網片提前焊接成形再插入大鋼模的方法。預先對鋼筋網片的焊接質量進行單項嚴格查驗，保證了厚100 mm懸挑板的抗彎性能。同樣，為保證質量和提高制作效率，肋梁主筋及箍筋也采用獨立綁扎再整體吊入鋼模的制作方法。

疊合拱殼結構由不同齡期的混凝土結構組成，上述2種混凝土結構在養護時期以及長期共同作用中的收縮和徐變對結構的性能有較大的影響。為驗證疊合拱殼的安全性，并監測車站疊合頂板在長期使用過程中產生的受力和變形，在足尺試驗和實際應用的預制拱形頂板鋼筋上分別安裝了應變片和應力計作為監測裝置。

5 預制雙肋拱形頂板的混凝土澆筑

鋼筋工程完工后，就可以安裝肋梁側模和定位架，并利用定位架側面的支撐螺桿將肋梁側模進行固定。該預制拱形頂板在施工階段需要承受上部厚900 mm現澆混凝土層的荷載，且預制拱形頂板本身混凝土厚度僅100 mm，因此本次預制拱形頂板所使用的混凝土為C40高強混凝土。由于內部鋼筋，特別是端頭處的鋼筋非常密集，為保證混凝土密實度，根據足尺試驗的結果及時調整了粗骨料的配比，替換了直徑較小的粗骨料，以保證拱頂與拱腳處的混凝土密實度，使其抗壓性能足以達到設計要求。

雙肋拱形頂板的澆筑分為兩部分進行。首先澆筑厚100 mm的拱形底板，再安裝肋梁側模，對雙肋部分進行澆筑，并在澆筑過程中使用振搗器，以30 cm的間距進行振搗。

6 預制雙肋拱形頂板的養護

本工程預制構件生產時間恰逢冬季，為提高大鋼模的周轉利用率，需要在短時間內使混凝土達到較高強度，實現快速脫模。因此，本次預制拱形頂板在澆筑完畢后，采用了18 h蒸汽快速養護的方法。首先用篷布將構件及鋼模緊密遮蓋，形成密閉空間，使構件表面保持濕潤，進行2 h預養；然后將蒸汽管道引入篷布，最后啟動蒸汽發生器，將蒸汽充入篷布。蒸汽養護過程中嚴格控制升降溫速率及最高溫度，停止供汽后控制篷布內外溫差小于20 K時進行脫罩作業。

將預制拱板通過蒸養達到一定強度后脫出模具，剝出肋梁兩側的外露鋼筋，對預埋件和預留孔洞進行清理后，將構件移至堆場特制的支架上再進行自然養護。

由于預制雙肋拱形頂板混凝土底板厚僅100 mm，在脫模和養護的過程中只能俯臥放置，且兩端不可著地，因此需要為每塊預制構件制作一套支架。經建模計算，采用四點支撐的方式，將縱向支點設在高600 mm的肋梁下方，跨向支點設置在跨向反彎點處，從而最大限度地保護預制拱板，避免其在脫模和運輸的過程中出現損壞。同時，在拱板底面與支架橫梁間墊軟布團對混凝土表面進行保護。

7 預制雙肋拱形頂板的運輸

預制拱形頂板采用20 t的載重平板車進行運輸，運輸時預制拱板采用四點支撐，與自然養護及拼裝作業時受力狀態相同，如圖4所示。預制拱板運輸到現場后，利用150 t履帶吊將預制拱板吊放到現場準備的支架上，再由現場的吊車以及拼運設備進行吊裝及拼運作業，頂板拼裝完成后的效果如圖5所示。

圖4 預制拱形頂板運輸狀態

圖5 預制拱形頂板拼裝完成后效果

8 結語

本文以具體工程為例，分析了預制雙肋拱形頂板的設計和施工情況。經實施，上海軌交15號線吳中路車站拱形頂板工程取得了良好的施工效果，贏得業界的一致肯定。裝配式鋼筋混凝土結構是我國建筑結構發展的重要方向之一，它有利于我國建筑工業化的發展，能提高生產效率、節約能源，并有利于提高和保證建筑工程質量。

針對吳中路站預制＋現澆拱形頂板的最終設計要求，在預制拱板的設計初期就聯合預制構件生產廠家共同對施工工藝進行科學細致的設計，盡可能將難度較大的施工環節從施工現場轉移到工廠車間，為現場施工爭取了寶貴的時間、空間，并提高了施工精度。實踐證明，預制雙肋拱形頂板的工廠制作精度高，鋼模底板使構件底面光滑平整，拼裝效率高，受力合理。該工藝不僅符合裝配式建筑的發展導向，減少現場支模的危險繁重工作，還大大提高了車站拱形頂板的觀感效果，具有良好的推廣價值和廣闊的應用前景。