城市軌道交通車站基坑裝配式預應力混凝土支撐設計研究

黃銳，王彥杰（.上海隧道工程有限公司市政公用工程設計研究院，上海 0003；.上海隧道工程有限公司，上海0003）

0 引 言

隨著城市化的持續發展，城市軌道交通的規劃和建設力度也不斷加大。但城市軌道交通車站基坑的施工難度卻越來越大，主要表現為施工場地空間越來越狹小、工期要求越來越緊迫、周邊變形沉降控制要求越來越苛刻、可持續發展及成本控制要求越來越嚴格等。這些都給城市軌道交通基坑施工提出了更高的要求和挑戰。

傳統現澆混凝土支撐，由于其材料、截面特性及連接構造，具有剛度大、控制變形好、整體受力好及對大跨度和異形基坑適應性強等特點，因而廣受青睞。但同時也因以下缺點常被詬病。

（1）自重大。隨著基坑跨度加大，支撐長度和截面也越大，自身重量也隨之增大，往往一根支撐平均重達三四十噸，從而給后期拆除和外運增加了難度和成本。另外，當支撐跨度較大時，還要設置中間立柱減小跨度以降低自重變形。

（2）無法重復利用。混凝土支撐由于其自身特性，基坑施工結束后只能原位破除，無法重復利用，成為建筑垃圾。相較于鋼支撐，這一點不符合可持續發展及成本控制的理念。

（3）養護周期長?，F澆混凝土支撐無法立即投入使用，需要較長的養護周期方可達到設計強度，在此之前無法進行下一步基坑施工作業。

城市軌道交通車站基坑跨度（標準段）一般為19～23 m。根據JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》，基坑支撐跨度較大時，須設置中間立柱以減小其計算跨度，增加穩定性，混凝土支撐單跨長度≤15 m。根據DG/TJ08－61－2018《基坑工程技術標準》第10.2.11節相關規定，混凝土支撐豎向撓度宜小于計算跨度的1/800～1/600，偏心距不宜小于支撐計算長度的1/1 000且不小于20 mm。

基于此，提出裝配式預應力混凝土支撐設計，旨在利用混凝土支撐優點的同時，對其不足之處進行創新式的改進設計。城市軌道交通車站具有一定程度的標準化，將混凝土支撐進行分段標準化設計，采用“工廠預制＋現場安裝”的方式，將各支撐節段利用后張法工藝拼裝成整根預應力支撐梁，然后將支撐梁兩端與基坑圍檁進行整體現澆，即形成裝配式預應力混凝土支撐。本文依托具體工程案例，闡述城市軌道交通車站基坑裝配式預應力混凝土支撐設計。

1 預應力梁設計方案的提出

本研究依托工程為上海市軌道交通世博大道站主體基坑工程。世博大道站車站總長184.2 m，標準段基坑寬度約23.1 m，坑深32.5 m，設置第一、四、六道為混凝土支撐和第二、三、五、七、八道為鋼支撐，支撐中間設置單立柱。

擬選取首道某根混凝土支撐作為試驗對象，替換為裝配式預應力混凝土支撐，支撐梁全長為21.9 m，分2段預制，預制梁中間接頭采用法蘭盤連接，兩端頭與基坑圍檁采用現澆接頭連接。裝配的預制梁采用后張法張拉，通過預應力張拉，使梁的受拉區提前預壓，在使用過程中會抵消因自重產生的拉應力，從而使構件的抗拉強度得以提高。施加預應力時構件會出現反拱，這樣在自重及施工活載作用時會減小撓度，進而可以取消設置中間立柱，適應更大的跨度。

2 預應力支撐梁截面設計

本次試驗段的主要目的是在確保基坑安全的前提下，驗證裝配式預應力支撐梁接頭連接的可靠性、梁的受力變形特性。梁截面尺寸為1 000 mm×900 mm，跨度為23.1 m，梁頂施工活載取4 kPa?？紤]到梁接頭的連接效果、施工質量及取消立柱后跨度的增大等因素，本次支撐梁分別按普通混凝土構件計算配筋和預應力混凝土構件計算配筋進行設計。

2.1 普通混凝土構件計算

按普通混凝土構件計算時，先按純彎構件計算內力如下。

基坑圍護首道支撐軸力為3 366 kN；根據DG/TJ 08-61—2018《基坑工程技術標準》，偏心距eo取Max[L/1 000，20]，則eo＝23.1 mm。因此，附加彎矩Me＝3 366×23.1/1 000＝78 kN·m。

實際配筋：支座為10D28 mm，跨中為10D18 mm，箍筋為d12 mm@100 mm（150 mm）。

2.2 預應力混凝土構件計算

裝配式預應力梁兩端與基坑圍檁（冠梁）的連接采用現澆接頭處理，故裝配式預應力梁實際全長為21.9 m，單根節段梁長度為10.95 m，兩端設置450 mm×400 mm企口，梁內部為空心結構，空心段長度為8.55 mm，尺寸為500 mm×430 mm，空心率為18.6%。支撐梁簡化為簡支梁結構進行計算，在端頭施加附加彎矩78 kN·m。

2.2.1 正常使用極限驗算

（1）正截面抗裂驗算。縱梁上、下緣在持久狀況荷載短期荷載效應組合作用下的正應力計算結果，如圖1、圖2所示。根據JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（以下簡稱“《規范》”）第6.3.1條，對全預應力混凝土構件，在作用短期效應組合下，不得出現拉應力。計算表明，在作用短期效應組合下，支撐梁截面上、下緣均沒有出現拉應力，最大壓應力為11.31 MPa，滿足《規范》要求。

圖1 縱梁作用短期效應組合下最大正應力圖（單位：MPa）

圖2 縱梁作用短期效應組合下最小正應力圖（單位：MPa）

（2）斜截面抗裂驗算。縱梁短期效應組合下的主拉應力計算結果，如圖3所示。根據《規范》第6.3.1條，對全預應力混凝土構件，在作用短期效應組合下，預制構件主拉應力不得大于0.6ftk＝0.6×2.65＝1.59 MPa。由圖3可知，作用短期效應組合下，最大主拉應力為0.35 MPa，滿足《規范》要求。

圖3 縱梁作用短期效應組合下主拉應力圖（單位：MPa）

（3）縱梁持久狀況下標準正應力驗算?？v梁在荷載標準組合作用下上、下緣的正應力計算結果，如圖4所示。根據《規范》第7.1.5條，預應力混凝土構件，在荷載標準組合下，受壓區混凝土的最大壓應力不得大于0.5fck＝0.5×32.4＝16.2 MPa。計算表明，縱梁上緣最大壓應力為11.66 MPa，下緣最大壓應力為9.83 MPa，均滿足《規范》要求。

圖4 縱梁標準組合下縱梁最大正應力圖（單位：MPa）

（4）縱梁持久狀況標準主壓應力驗算。縱梁在持久狀況荷載標準組合作用下的主壓應力計算結果，如圖5所示。

圖5 縱梁標準組合下縱梁最大主壓應力圖（單位：MPa）

2.2.2 承載能力極限狀態驗算

（1）基本組合下最大內力與最大抗力，如圖6所示。由圖6結果可知，4 586.55 kN·m＞2 088.93 kN·m，結構抗力均大于結構內力，極限承載力滿足要求。

圖6 基本組合下最大內力與最大抗力（單位：kN·m）

（2）基本組合下最小內力與最小抗力，如圖7所示。由圖7結果可知，4 596.55 kN·m＞1 740.77 kN·m，結構抗力均大于結構內力，極限承載力滿足要求。

圖7 基本組合下最小內力與最小抗力圖（單位：kN·m）

2.2.3 結構撓度驗算

結構位移，如圖8所示。按照《規范》第6.5.3條規定，結構長期撓度值須控制在L/600以內。根據計算結果，跨中位置最大撓度值為2 mm，《規范》要求限值為跨中38.5 mm，故結構撓度滿足規定。

圖8 結構位移圖（單位：m）

根據上文計算結果，預應力混凝土梁構件截面及配束設計如圖9所示，鋼束選型如表1所示。

表1 預應力混凝土梁鋼束選型表

圖9 預應力混凝土梁構件截面及配束設計圖

根據混凝土構件和預應力混凝土梁構件結果，裝配式預應力混凝土梁截面設計，如圖10所示。

圖10 預應力混凝土梁截面配筋及鋼束布置圖

3 節點設計方案

3.1 節段梁間連接節點

2根節段梁拼接處端部各設置一塊1 200 mm×1 100 mm鋼板，厚度為30 mm。鋼板與梁內鋼筋（上下排主筋及兩側構造筋）采用穿孔塞焊連接，鋼板內預留預應力波紋管穿孔和螺栓穿孔。兩端鋼板采用22根10.9級M24高強螺栓。預應力混凝土梁法蘭連接節點設計，如圖11所示；現場效果圖，如圖12所示。

圖11 預應力混凝土梁法蘭連接節點設計圖

圖12 預應力混凝土梁法蘭連接節點現場效果圖

法蘭接頭主要承受基坑圍護水平軸力、支撐自重及施工活載產生的彎矩。彎拉（壓）共同作用時，法蘭盤單個螺栓拉力計算如下：

式中：n——有效螺栓計算個數；

M——法蘭盤所受彎矩，N·mm；

r2——螺栓受力合力作用點距離法蘭形心的距離，mm；

N——法蘭盤所受軸心力，N，壓力時取負值[1]。

法蘭接頭承受彎矩時，僅考慮法蘭盤最下排高強螺栓承受力，基坑圍護水平向壓力為有利作用，暫不考慮，則：

由計算結果可知，螺栓承載能力滿足設計要求。

3.2 節段梁外端頭連接節點

張拉拼接后的預應力梁兩端與基坑圍檁連接的形式主要包括預留鋼筋接駁器及預留鋼筋接頭。預留鋼筋接頭存在以下問題：外露鋼筋接頭影響預應力張拉作業；運輸安裝中容易損壞接頭；拆除難度大，從而導致重復利用率降低；等等。而預留鋼筋接駁器則可以避免上述問題。另外，梁端外露的張拉錨具及新舊不同形式的構件連接都會降低該處連接節點的可靠性，故將梁端頭設計成鋸齒狀的企口以提高截面的抗剪能力，增強接頭的連接效果。裝配式梁與基坑圍護現澆接頭連接節點設計，如圖13所示。

圖13 裝配式梁與基坑圍護現澆接頭連接節點設計圖

（3）拆卸方便、循環利用。采用法蘭盤和鋼筋接駁器接頭連接，可以做到快速方便拆卸，并能重復利用。

（4）減小豎向變形撓度。利用預應力混凝土梁的優點，即使取消立柱及立柱樁后，也能很好地減小混凝土支撐豎向撓度變形。

（5）減小自重。利用預應力梁構件的空心設計，梁體自重可降低約18.6%。

下階段將通過現場試驗對梁構件進行內力和變形跟蹤監測，通過對試驗數據進行分析，對構件的受力機理做進一步研究。

（1）當前支撐梁按普通混凝土構件和預應力混凝土構件受力分別計算，同時考慮普通鋼筋和預應力鋼束的作用。下階段考慮對普通鋼筋進行優化。

（2）本次設計僅針對城市軌道交通車站基坑，基坑跨度變化相對較小，支撐分為2個等長節段。當基坑跨度變化時，適應性較差。下階段繼續對梁的分段數、分段長度進行研究，以便靈活組合搭配使用。

（3）城市軌道交通車站基坑豎向一般設置多道混凝土支撐和鋼支撐，取消立柱及立柱樁，對鋼支撐的變形及穩定性影響增大，故需同步對鋼支撐進行配套性設計研究。只有解決此問題，該設計方案才具有可實施性。

4 結 語

本研究針對當前城市軌道交通車站基坑圍護支撐設計現狀，結合國家相關技術規范，在滿足相關設計規范及行業設計習慣的前提下，對現有車站基坑混凝土支撐形式進行了設計改進，提出裝配式預應力混凝土支撐設計方案。該支撐設計方案具有如下優點。

（1）縮短工期。通過將梁在工廠內提前預制，可以大大減少現場澆筑及養護時間。

（2）取消立柱及立柱樁。利用預應力混凝土梁的優點，可以取消設置立柱及立柱樁，從而極大地降低工程成本，也間接壓縮了工序并縮短工期。