地下結構閉腔薄壁預制構件設計關鍵技術

黃美群

(1. 北京城建設計發展集團股份有限公司, 北京 100037； 2. 城市軌道交通綠色與安全建造技術國家工程研究中心, 北京 100037)

0 引言

建筑結構預制裝配技術是綠色建造技術的發展方向，是工業化建造模式的核心。經過近10年的研究和應用，我國軌道交通地鐵車站裝配式結構建造技術取得了一定的成績，目前已在國內長春、青島和深圳等多個城市得到應用推廣。閉腔薄壁構件是為解決大型地鐵車站裝配式結構預制構件體量大、運輸和吊裝困難等問題而研發的輕量化結構構件，應用后可顯著減輕構件重量、減少混凝土用量和降低工程造價[1-2]。

矩形實體混凝土結構構件構造簡單、制作方便，但在受彎破壞時，受拉區混凝土開裂退出工作，使得這些部位的混凝土不能再發揮承載作用； 同時，越是靠近中性軸部位的混凝土，其所發揮的抗彎承載作用就越小。將上述對抗彎無貢獻或抗彎作用較小、位于截面核心區域附近的混凝土去除，在較少或基本不削弱構件承載能力的同時，可以達到構件輕量化的目的。實際工程中最為常見的輕量化構件有預制T形、工形、∏形、箱形等構件，這些輕量化構件在地面建筑和橋梁工程中應用廣泛，地面建筑的預制圓孔板也是典型的輕量化構件。

閉腔薄壁預制構件是在矩形截面混凝土構件中心應力水平較低的部位設置若干個封閉的空腔體，形成由上翼緣、下翼緣、邊縱肋、中縱肋、橫隔板及端頭板等薄壁板肋組成的構件[3-4]，其空腔截面類似于箱形，示意見圖1。

(a) 縱斷面(底板結構)

(b) 橫截面

長春地鐵裝配式車站為明挖地下2層單拱大跨隧道結構，寬20.5 m、高17.45 m，襯砌結構由7塊環寬2 m的標準構件組成，全部構件采用閉腔薄壁預制構件。單環結構總質量292.5 t，總體積144 m3，其中，空腔體積27 m3，空腔率為18.75%，輕量化效果顯著[5]。長春地鐵裝配式車站結構及閉腔薄壁構件示意見圖2。

(a) 車站結構 (b) 閉腔薄壁構件

輕量化設計的必要性顯而易見。然而，裝配式地鐵車站結構體系龐大、復雜，并承受巨大的水土荷載作用。構件尺度大、配筋率高，是典型的偏心受壓構件，且在構件不同部位呈現雙向彎曲的受力特性，構件橫截面上、下均需要有效抵抗正、負彎矩作用，并滿足配筋需要；與此同時，還需要考慮每個預制構件四周環向和縱向接頭的可靠連接和接縫密封防水性能，因此，地鐵裝配式車站結構的輕量化設計難度較大。研究發現，閉腔薄壁構件不僅輕量化效果顯著，而且力學性能優良，是實現大型裝配式地下結構輕量化設計目標很好的解決方案。

閉腔薄壁構件在地下結構中的研究和應用在國內外尚屬首例，本文結合理論研究和實際工程應用情況，針對大型地鐵車站裝配式結構構件輕量化設計要點及閉腔薄壁構件設計關鍵技術進行論述。

1 地下結構預制構件輕量化設計

明挖裝配式車站等地下結構型式可以是單拱大跨結構，也可以是矩形框架結構。根據裝配式結構型式及拆分要求，預制構件可為直線形、弧形、折線形、T字形等多種型式，構件尺度大小需要滿足制作工藝、吊運條件、拼裝工藝及結構穩定性的要求，并需要符合模數化、標準化的要求。

預制構件進行輕量化設計時，應基于裝配式地下結構的受力特性、接頭構造、接縫防水、結構耐久性等要求，進行多方案的技術和經濟性比選。

1.1 優化截面型式

大型裝配式地下結構構件進行輕量化設計時，可選擇的截面型式主要有閉腔薄壁和∏形等型式，其示意見圖3。構件迎土側應設置翼緣板，以形成擋水、擋土的封閉式襯砌結構；構件縱向應設置縱向邊肋，以滿足構件縱向接頭和接縫防水的構造要求；構件端頭應設置端頭板，以滿足構件環向接頭和接縫防水的構造要求。

(a) 閉腔薄壁截面 (b) ∏形截面

另外，在2個邊縱肋之間，根據翼緣板的寬度和翼緣板的承載性要求可設置中縱肋。沿構件縱向，可根據構件長度及縱肋的局部穩定性要求，設置一定間距的橫隔板。為適應地下結構正負彎曲雙向作用，在構件背土側設置另一側翼緣板，這樣便形成了由上下翼緣、邊縱肋、端頭板等薄壁結構組成的閉腔薄壁構件(如圖1所示)。

∏形構件(見圖3(b))僅設置1道翼緣板，為滿足正負彎曲雙向作用的要求，需要加大邊縱肋板的厚度。∏形預制構件裸裝修時，可表現出其獨特的建筑裝飾效果，可在車站等地下工程的頂拱或頂板結構中采用。圖4為∏形預制構件裝配式地鐵車站站廳層效果圖。

圖4 ∏形預制構件裝配式地鐵車站站廳層效果圖

一般情況，T形和工形截面的翼緣板厚度較薄，較難滿足接頭設置的要求，尤其是T形構件，對于雙向受彎的地下結構，不能較好地發揮其承載性能。因此裝配式地下結構的構件進行輕量化設計時不建議采用T形或工形等截面型式的構件。

1.2 優化結構組合

采用型鋼混凝土結構或鋼-混組合結構等型式，對混凝土結構進行優化組合，是混凝土構件輕量化的有效途徑，在地面建筑及地下工程的內部結構中應用廣泛。但作為地下工程的襯砌結構，應采取措施確保結構的耐久性； 同時組合結構的造價較高，需要論證其經濟性。

1.3 提高材料性能

選用高性能材料是達到構件輕量化要求的另一途徑。提升材料性能，例如采用高強度混凝土材料、采用鋼結構等，在滿足同等承載能力條件下，可有效降低構件質量。雖然采用低容重混凝土材料能夠有效降低混凝土結構的容重，例如輕骨料混凝土、多孔性混凝土等，但這些材料脆性大，一般只適用于房屋墻板、軌頂風道等受荷較小的內部結構，而不適用于地下承載結構，尤其是襯砌結構。

2 閉腔薄壁構件力學性能研究

閉腔薄壁構件形式復雜，故在受力后的傳力途徑也相對復雜； 同時，空腔大小及各主要部件的構造參數對構件的力學性能影響也較大。為此，對裝配式地鐵車站結構工程中采用的閉腔薄壁構件力學性能進行了深入研究，其研究成果對閉腔薄壁構件截面設計具有重要的指導意義。

2.1 截面剪力滯效應

2.1.1 基本概念

初等梁理論中，截面應變符合平截面假定。構件彎曲后，鋼筋應變與混凝土的應變相同。截面各點應變與該點到中性軸的距離成正比，即離中性軸同一距離的截面正應力沿梁寬度方向是相等的。對于帶有梁肋的T形梁、工形梁、∏形梁或箱形梁等構件，在受彎作用下產生內力和變形，是通過梁肋的剪切變形傳遞給翼板； 而剪應變在向翼緣板內橫向傳遞的過程中是不均勻的，使得翼緣板的正應力隨著離梁肋的距離增加而減小，這種現象被稱為“剪力滯后”，簡稱剪力滯效應[6-9]。

2.1.2 工程界研究和應用現狀

在建筑和橋梁工程領域，國內外學者對剪力滯效應進行了大量研究。衡量剪力滯效應大小的主要指標是剪力滯系數(考慮剪力滯效應時的翼緣板正應力與按初等梁理論求得的翼板正應力之比)。剪力滯系數與梁的跨寬比、截面形式和尺寸、截面在跨內所處位置等因素有關，通常應力峰值大于按初等梁理論計算出來的值。如果工程設計時忽略剪力滯后效應的影響，可能導致梁截面的破壞。據文獻報道，國內外早年的橋梁工程中出現過不少因對剪力滯后效應考慮不周、不能滿足翼緣板的承載力要求而出現裂縫，造成橋梁的失穩和局部破壞的現象[6]。

工程界在對各種帶肋梁的剪力滯效應進行分析的基礎上提出了受壓區翼緣“有效計算寬度”的概念，即將翼緣實際寬度折減為有效計算寬度，并假定在有效寬度范圍內應力均勻分布，有效寬度以外的翼緣不起作用，使有效寬度按初等梁理論算得的應力值和實際的峰值接近，以滿足翼緣板承載力的要求，確保結構的安全。目前，這種翼緣“有效計算寬度”的方法已被各國規范廣泛采用[10-11]。

2.1.3 閉腔薄壁構件剪力滯效應分析

2.1.3.1 剪力滯系數

地下結構與建筑或橋梁工程的受力環境及荷載作用特性不同，尤其是應用于裝配式地下結構的預制構件，應考慮結構受力、接頭構造、防水性能等要求，且所確定的閉腔薄壁構件在構造形式和尺寸方面與橋梁工程的箱型梁結構存在一定的差別。為進一步探討這一帶肋閉腔薄壁構件的力學行為特性，以長春地鐵裝配式車站結構為例，選取3環實際裝配式車站結構，建立地層-結構三維連續介質模型進行整體有限元分析，研究每塊構件不同部位的截面在實際荷載作用下的內應力分布特征[3-5]。

研究發現，閉腔薄壁構件在偏心受壓作用下，上下翼緣的正應力在橫截面的分布不均勻，與肋板交匯處大、中部小，存在典型的剪力滯效應，截面應力峰值較初等梁理論計算值有所放大，最大正剪力滯系數為1.01～1.11。閉腔薄壁構件截面正應力分布示意如圖5所示。

2.1.3.2 影響剪力滯效應的主要因素

對于裝配式車站結構，構件構造、截面位置、截面幾何特征及軸力大小作用等是影響剪力滯效應的主要因素。

圖5 閉腔薄壁構件截面正應力分布示意圖(顯示比例放大后效果)(單位： MPa)

1)構件形式和位置。長春地鐵裝配式車站整個襯砌結構共7塊構件。其中，底板和側墻構件基本為直構件，其最大正剪力滯系數為1.01～1.08，以1.05左右為主，整體變化幅度不大；頂拱塊最大正剪力滯系數為1.01～1.66，以1.02左右為主，主要為壓應力。位于拱腳處的截面，內外剪力滯系數均較大，且范圍很小，分析其主要原因是接近支座范圍的局部應力集中明顯而導致應力的跳躍。可以看出，整個裝配式結構，除個別截面外，各構件的剪力滯系數基本為1.01～1.05，截面應力基本接近初等梁理論計算值，剪力滯效應整體較弱。

2)縱向肋板的凈距。縱向肋板的凈距對剪力滯效應影響較大，凈距越大，剪力滯效應越明顯。當縱肋凈距達到660 mm時，截面正應力峰值接近初等梁理論計算值； 超過這一臨界值時，剪力滯效應逐漸加大。對于2.0 m環寬的實際構件，兩邊縱肋的凈距為1.494 m，在其中間部位設置厚度為200 mm的中縱肋后，則邊縱肋與中縱肋的凈距為647 mm，略小于660 mm的臨界值，剪力滯效應比較微弱。

3)截面位置。構件接近支座的空腔截面較中部的空腔截面剪力滯效應明顯，例如拱頂的拱腳部位、底板的墻角部位及側墻的中樓板部位等，這些部位因支座效應的存在，導致局部應力集中，因而其空腔截面的表觀剪力滯效應較明顯。實際工程中應盡量避開在支座位置設置空腔截面，或通過加大翼緣板的厚度來消除或減弱剪力滯效應。

4)軸力作用。純受彎構件較偏心受壓構件的剪力滯效應明顯，顯示出軸力對改善截面剪力滯效應有一定的作用。

總體來看，地鐵車站裝配式結構閉腔薄壁構件與橋梁工程的箱形梁相比，剪力滯效應影響程度相對較弱。主要原因有： 閉腔薄壁構件為整體封閉式截面，翼緣板無外挑； 設置了中縱肋； 間隔一定的距離設置了橫隔板；在接頭端頭和支座處采用了實心截面； 增加大拱腳支座附近的翼緣板厚度，這些構造特征可有效降低截面剪力滯效應。另外，所有構件都在巨大的圍巖壓力作用下產生較大的軸力作用，因此剪力滯效應減弱。

2.2 截面剪應力分布規律

我國現行GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[10]規定，T形、工形截面的鋼筋混凝土受彎和偏心受壓構件，受剪截面計算寬度為腹板寬度，計算高度為截面有效高度，即規定T形、工形截面的剪應力100%由腹板承擔(含腹板與翼緣板的相交部位)。國內有不少學者在這方面做過相關研究[12-14]。

對于閉腔薄壁構件，研究發現，在剪力作用下剪應力出現了與T形和工形截面相同的分布規律。其剪應力主要分布于3條縱肋上，其中，2條邊縱肋承擔的剪力各約占32%，中縱肋承擔的剪力約占36%，全截面剪應力100%由縱肋板承擔。典型斷面剪應力分布如圖6所示[5]。

(a) 理論直構件剪應力分布 (b) 實際構件剪應力分布

2.3 構造參數對構件的力學性能影響

閉腔薄壁構件結構型式復雜，為此建立三維實體模型，對構件不同部位的構造參數，包括翼緣、縱肋、橫隔板、端頭板的尺寸和構造及空腔率等，對構件力學性能的影響進行研究[3-5]。

2.3.1 翼緣、縱肋及橫隔板厚度的影響

當翼緣板厚度達到200 mm時，翼緣的應力趨于穩定； 縱肋的設置和尺寸不僅對截面抗剪性能影響大，而且影響截面剪力滯效應； 橫隔板對控制閉腔薄壁的畸變作用明顯。

2.3.2 構件端頭板厚度的影響

構件端頭板的設置意義重大，端頭板直接與環向接頭連接，是構件軸力和彎矩的重要傳遞部位，其厚度即端頭實心段的長度應能確保實心截面與空腔截面之間應力的完整過渡。研究發現，端頭板的厚高比不宜小于0.43。

2.3.3 內部空腔率的影響

閉腔薄壁構件內部設置空腔是構件輕量化的主要手段，但空腔的大小直接影響構件的應力水平，合理確定空腔率是必要的。通過各種形式多工況的數值分析可知，閉腔薄壁構件的經濟空腔率不宜大于20%[3]。

3 閉腔薄壁構件結構設計要點

3.1 閉腔薄壁構件設計計算分析

3.1.1 基本原則

對于特殊的閉腔薄壁構件，在結構整體作用效應分析時需要考慮構件的薄壁及閉腔空間效應，因此建議采用實體單元模型進行結構計算。同時，應考慮結構應力傳遞路徑和接頭傳力效應對構件不同部位橫截面應力的影響，并根據應力分布特征合理確定各關鍵部位的構造尺寸，必要時應對各薄壁板肋結構進行局部受力和穩定性驗算。

3.1.2 正截面承載力計算

裝配式車站等地下結構的閉腔薄壁構件是典型的偏心受壓構件，且存在一定的截面剪力滯效應，設計計算時需要考慮其影響。

我國現行GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[10]沒有對箱形截面的承載力計算給出規定，可將箱形截面轉化為工形截面。規范[10]規定，工形截面偏心受壓構件的受壓區翼緣寬度可采用有效翼緣計算寬度進行正截面承載力計算。針對上述的長春地鐵裝配式結構閉腔薄壁構件，根據規范計算結果，有效翼緣計算寬度均大于實際構件的翼緣寬度。

我國現行JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[11]給出了箱形截面梁在腹板兩側上、下翼緣有效寬度的計算方法。參考本規范規定，對上述同樣的閉腔薄壁構件進行翼緣有效寬度計算，翼緣有效寬度的計算系數為1.0～1.15，大于1.0。

以上規范計算結果表明，閉腔薄壁構件采用受壓區翼緣有效寬度計算法時，均可按實際寬度計算。在實際工程設計中，一般不用具體計算每個截面的剪力滯，可以通過研究并認識到剪力滯效應影響后，采用有效寬度的設計方法進行計算，以簡化設計。

鑒于隧道承載結構的受力環境、荷載特點、力學行為特征、構造要求等一系列因素均與各規范給出的邊界條件存在較大的不同，適用性存在一定的偏差，即閉腔薄壁構件剪力滯效應影響的客觀存在，且影響程度相對較弱，建議在結構正截面承載力計算時，截面應力或彎矩可以按初等梁理論的計算結果乘以剪力滯系數來近似考慮剪力滯效應的影響。

3.1.3 斜截面承載力計算

抗剪承載能力設計應考慮閉腔薄壁構件截面剪力分布特征，可按縱向板肋承載100%的剪力設計值進行斜截面承載力設計計算。

3.1.4 正常使用極限狀態驗算

閉腔薄壁構件正常使用極限狀態的裂縫控制驗算和撓度驗算應按現行國家標準GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[10]的相關規定執行。

3.2 內部空腔設置

預制構件在生產過程中，可在鋼筋籠內設置若干獨立的輕質材料芯模，澆筑混凝土后形成閉腔薄壁構件； 芯膜與鋼筋籠之間應設置墊塊，滿足鋼筋的混凝土保護層厚度要求。綜合研究成果，內部空腔可參考如下規則設置：

1)在構件橫截面方向的空腔長度不宜大于800 mm，且橫截面空腔率(空腔面積/外輪廓面積×100%)不宜大于30%。

2)構件縱斷面方向空腔長度不宜大于3.0 m，且構件整體空腔率(空腔體積/外輪廓體積×100%)不宜大于20%。

3)內部空腔周邊宜設置圓順的倒角，且倒角圓弧半徑不宜小于100 mm； 當內腔空間尺寸較大時，倒角圓弧半徑宜加大。

3.3 翼緣板結構設計

上下翼緣板是閉腔薄壁構件最重要的抗彎結構，上下翼緣板的外邊緣縱向受力鋼筋應根據截面極限狀態計算配置，臨近空腔的內邊緣縱向鋼筋可按翼緣板構造配置，配筋率不宜小于0.3%。

除應進行構件整體計算分析外，還應根據上下翼緣板的實際荷載作用狀況進行翼緣板局部承載力驗算。

雖然截面剪力100%均由縱向肋板承擔，但考慮到翼緣板的局部承載作用，以及各縱肋結構的整體性，應在翼緣板全截面設置至少1層封閉套箍，且內外縱向鋼筋之間可設置單支拉結筋。

鑒于地下結構的作用特點及防水性能要求，迎土側翼緣板的厚度不宜小于250 mm。

3.4 縱向肋板結構設計

縱向肋板是閉腔薄壁構件的重要組成部分，其結構設計要點如下：

1)縱向肋板結構在進行構件整體計算分析的基礎上，應根據構件縱向空腔長度及內力作用進行局部穩定性驗算。

2)縱向肋板應滿足截面抵抗軸力、彎矩和剪力作用要求，縱向肋板的厚度不宜小于200 mm。

3)縱向肋板與翼緣板重疊范圍的縱向鋼筋依據翼緣板所需受力鋼筋配置，翼緣板以外的側面縱向鋼筋可按構造配置，配筋率不宜小于0.3%。

4)縱向肋板應按承載100%的剪力設計值進行斜截面抗剪承載力設計計算和配置箍筋，并應按肋板全截面設置至少1層封閉套箍，兩側縱向鋼筋之間可設置單支拉結筋。

5)縱向肋板的封閉套箍應與翼緣板的封閉箍筋交叉重疊，滿足鋼筋籠整體穩定性要求，如圖7所示。

6)中縱肋應根據構件橫截面大小、橫向空腔尺度要求及構件的受力要求進行設置，可以不設置或設置多道。

圖7 空腔截面翼緣、縱肋箍筋及拉結筋布置示意圖

3.5 橫隔板設計

橫隔板應根據構件縱向長度、縱向肋板的受力穩定性要求及縱向空腔尺度的構造要求設置，橫隔板結構設計要點如下：

1)橫隔板的厚度不宜低于縱向肋板厚度，并宜按構造配置鋼筋。

2)應在橫隔板全截面設置至少1層封閉套箍，兩側縱向鋼筋之間可設置單支拉結筋。

3)橫隔板的封閉套箍應與翼緣板、縱肋板的封閉箍筋交叉重疊，滿足鋼筋籠整體穩定性要求。

3.6 端頭板結構設計

閉腔薄壁構件兩端的環向接頭部位，應設置一定長度的實心結構，確保空心部位向實心部分的應力過渡完成，不干擾接頭的受力，同時減弱空腔截面的剪力滯效應。根據研究，推薦實心端頭板長度與構件截面高度之比不宜小于0.45，且長度不宜小于300 mm。端頭板的配筋應與翼緣板和縱向肋板相協調，主要受力鋼筋應貫通，并滿足構件端部的承載力要求，并應進行斜截面抗剪承載力及配筋設計。

4 結論與建議

地下結構承受較大的水土荷載作用，構件體量大，故輕量化設計具有一定的必要性，閉腔薄壁構件是地下結構輕量化的較好選擇。閉腔薄壁預制構件設計關鍵技術總結如下：

1)閉腔薄壁構件與帶肋的T形、工形和箱型截面構件類似，存在典型的剪力滯效應，但影響程度相對較弱，實際工程應用中宜計入其影響，或可通過數值分析和試驗研究確定。

2)在剪力作用下，閉腔薄壁構件截面剪應力出現了與T形和工形截面相同的分布規律，主要分布于各條縱肋上，全截面剪應力100%由縱肋板承擔。

3)閉腔薄壁構件內部空腔率和翼緣板、縱向肋板、橫隔板、端頭板等結構構造特點對構件力學性能具有一定的影響，設計時需要結合工程具體情況，掌握構件的力學行為特性，合理確定閉腔薄壁構件的截面型式和構造措施，減少剪力滯效應影響，滿足設計要求。

4)地下結構輕量化研究和應用尚有較大的拓展空間，希望行業內廣大專家和專業技術人員給予充分關注。