CN110512647B - 一种局部装配式地铁车站结构设计及施工方法 - Google Patents

一种局部装配式地铁车站结构设计及施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种局部装配式地铁车站结构设计及施工方法，包括明挖基坑及其围护结构、现浇底板及底梁、现浇侧墙、叠合中板、预制立柱、预制梁、预制拱形顶板。车站底板及侧墙在现场浇筑，其中，侧墙外侧以围护结构为模板，与围护结构实现一体化设计。车站预制立柱与预制梁通过灌浆套筒连接，中板采用叠合板技术施工，拱形顶板在工厂预制并运至现场拼装。预应力拱形顶板将竖向荷载分配到侧墙和围护结构上，减小了地下结构关键构件立柱的轴压比，结构受力更加合理，抗震性能更优；与全预制车站结构相比，本发明预制构件拼接缝数量较少，有利于提升地铁车站的防水效果。本发明构造简单、安装方便，符合建筑工业化趋势。

Description

一种局部装配式地铁车站结构设计及施工方法
技术领域
本发明涉及土木工程设计与施工领域，尤其涉及地下装配式结构领域，具体的说，是一种局部装配式地铁车站结构设计及施工方法。
背景技术
我国城市轨道交通建设速度和规模均居世界首位，传统的施工建造方式已经难以满足城市化进程的快速发展。目前，明挖基坑结合现场浇筑仍是地铁车站施工的主要方法，该方法经济安全、质量可靠。然而，明挖现浇法存在施工周期长、施工占道对地面交通影响严重、周转材料损耗量大、噪音和粉尘污染严重、施工过程易受气候条件的影响等问题，无法满足现代地下工程建设高质量、快速度、低成本的需求。
长春地铁二号线成功实践了全预制装配式单拱大跨地铁车站结构的施工作业，结构每环由7个预制构件连接而成，单个预制构件最大重量达55吨。装配整体式地铁车站技术也得到了大量的研究，并在北京地铁朝阳体育中心站开展应用试点。装配式车站具有施工速度快、构件质量好以及环境污染少等优势，已经成为行业发展的趋势。然而，装配构件间接头及接缝较多，防水处理困难，且接头力学特性复杂，结构整体性差，对施工工艺和施工精度要求较高。
相关研究表明，立柱的轴压比远大于侧墙，导致立柱的变形能力小于侧墙。在水平地震作用下，立柱与侧墙变形不协调，立柱因变形能力不足发生弯剪破坏并丧失竖向承载能力，进而导致车站结构整体倒塌。因此，增大地下结构立柱的变形能力，减小立柱承担的轴力，是提高地下结构抗震能力的有效手段。
拱形结构截面受力以压应力为主，适用于抗压性能较好的混凝土结构。地铁车站采用拱形顶板，顶板将竖向荷载分担到两侧的侧墙上，能够有效减小立柱承担的竖向荷载。同时，相同荷载作用下，拱形顶板各截面的弯矩值小于相同截面位置处的大跨平面顶板，拱形顶板的厚度减小，自重减轻，受力更优。
发明内容
为了充分利用装配式技术的优势，同时避免由于过多接头及接缝导致的整体性差和防水难题，本发明提出了一种局部装配式地铁车站结构设计及施工方法。地铁车站底板和侧墙采用现浇混凝土结构，顶板、中板以及立柱在工厂预制后运至现场拼装。顶板采用拱形结构，利用“拱”作用将竖向荷载传递到侧墙上，减小立柱承担的竖向荷载，提高立柱的抗震性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种局部装配式地铁车站结构，包括：明挖基坑及其围护结构1、现浇底板2、现浇底梁3、现浇侧墙4、钢筋层5、预制下层立柱6、预制中梁7、叠合中板8、预制上层立柱9、预制顶梁10、预制拱形顶板11、连接直螺栓12、预留孔洞Ⅰ13、橡胶密封垫14、灌浆套筒15、连接曲螺栓16、预留孔洞Ⅱ 17、预留孔洞Ⅲ 18、纵向接力式钢棒19、预留孔洞Ⅳ 20、预应力筋Ⅰ21、冠梁22和预应力筋Ⅱ 23。
所述现浇底板2、现浇底梁3在基坑开挖完成后绑扎钢筋并现场浇筑。
所述现浇侧墙4一侧以基坑围护结构1为模板，在围护结构1上设置钢筋层5与现浇侧墙4的钢筋交错布置，钢筋层5的位置对应各层楼板高度处。浇筑侧墙时，围护结构1与现浇侧墙4在钢筋层5位置处连接为整体。现浇底梁3、预制下层立柱6、预制中梁7、预制上层立柱9和预制顶梁10之间连接在一起。
所述现浇侧墙4在与叠合中板8和预制拱形顶板11连接处设置牛腿。
所述叠合中板8由预制薄板和后浇混凝土组成。首先将预制薄板搭接到现浇侧墙4的牛腿与预制中梁7上，建立可靠连接后，在板面后浇混凝土形成叠合中板8。
车站顶板横向由两块预制拱形顶板11组成。两块预制拱形顶板11采用榫槽式接头，连接直螺栓12穿过接头区域的预留孔洞Ⅰ13，连接两块预制拱形顶板11，连接紧固后的接头搭接到预制顶梁10上。预制拱形顶板11的另一端与现浇侧墙4采用榫槽式接头，预制拱形顶板11端部预埋灌浆套筒15，与现浇侧墙4顶部伸出的纵筋连接；连接曲螺栓16穿过预留孔洞Ⅱ 17后分别锚固到现浇侧墙4的牛腿与预制拱形顶板11上。
所述预制拱形顶板11在纵向设有预留孔洞Ⅲ 18，预留孔洞Ⅲ 18内穿设纵向接力式钢棒19并逐环拉紧。
所述的预制拱形顶板11之间在纵向和横向均设置橡胶密封垫14，利用连接直螺栓12和纵向接力式钢棒19的拉紧作用挤压橡胶密封垫14，保证预制拱形顶板11的防水效果。
所述预制拱形顶板11横向预留孔洞Ⅳ 20并穿设预应力筋Ⅰ21，通过改变预应力筋Ⅰ21的预应力大小，控制作用在预制上层立柱9上的竖向荷载大小，预应力筋Ⅰ21锚固到现浇侧墙4的牛腿上。
所述预制拱形顶板11与预制顶梁10之间设置橡胶密封垫14，避免应力集中现象。
所述基坑围护结构1为地下连续墙或围护桩。
所述现浇底梁3、预制下层立柱6、预制中梁7、预制上层立柱9、预制顶梁10之间的纵向钢筋通过灌浆套筒连接。
所述预制拱形顶板11安装完毕后，外贴防水卷材进行顶板全外包防水，形成多道防线。
作为优选，围护结构1顶部设置冠梁22，冠梁22通过预应力筋Ⅱ23连接并张拉，通过预应力筋Ⅱ23向内的拉力平衡预制拱形顶板11拱脚向外的推力，避免现浇侧墙4和围护结构1发生向外的侧移。预应力筋Ⅱ 23表面包裹防水绝缘材料，避免发生腐蚀作用。
一种局部装配式地铁车站结构设计的施工方法，其特征在于：
步骤1：施工围挡，平整场地，沿基坑周边等间距施作钻孔灌注桩，浇筑桩顶冠梁，开挖基坑并及时支护；
步骤2：施作底板垫层，垫层终凝后，施工底板防水层及保护层；
步骤3：绑扎底板、底梁和侧墙钢筋，并分别现场浇筑；在各层楼板高度处，设置钢筋层连接现浇侧墙与钻孔灌注桩，将两者浇筑为一体；现浇侧墙与叠合中板、预制拱形顶板连接处设置牛腿；现浇侧墙顶面设置槽口、预留孔洞并外伸纵筋，用于连接预制拱形顶板；
步骤4：装配预制下层立柱、预制中梁、预制叠合中板、预制上层立柱、预制顶梁，各预制构件的纵向钢筋通过灌浆套筒连接；进行预制叠合中板的防水处理，然后绑扎钢筋、后浇混凝土，形成整体叠合中板；
步骤5：装配预制拱形顶板；预制拱形顶板之间以及预制拱形顶板与侧墙之间均采用榫槽式接头连接，横向辅以连接直螺栓、预应力筋Ⅰ、连接曲螺栓、灌浆套筒连接，纵向采用接力式钢棒串联并拉紧；预制拱形顶板之间嵌入橡胶密封垫，既起到防水作用，也避免应力集中；
步骤6：控制预制拱形顶板中预应力筋Ⅰ的预应力大小，调整作用在预制立柱上的竖向荷载大小到合理范围，预应力筋Ⅰ锚固到现浇侧墙的牛腿上；
步骤7：预制拱形顶板安装完毕后，外贴防水卷材进行顶板全外包防水，形成多道防线；
步骤8：通过预应力筋ⅠⅠ连接围护结构的冠梁并张拉至合理范围，平衡预制拱形顶板拱脚向外的推力；预应力筋ⅠⅠ表面包裹防水绝缘材料，避免发生腐蚀作用。
本发明的有益效果为：
1、利用预应力拱形顶板的“拱效应”将竖向荷载分配到侧墙上，减小地下结构关键构件立柱的轴压比，结构受力更加合理，抗震性能更优；同时，由于立柱的支承作用，拱形顶板的跨度减半，在相同竖向荷载作用下，拱形顶板拱脚处的水平推力减小，顶板的内力也相应减小。因此，顶板厚度可适当降低。
2、支模工作量小，施工速度快。侧墙外侧以围护结构为模板，仅需单侧支模，底板无需支模。顶板预制拼装，避免了传统现浇车站顶板建造过程中搭设满堂支架—支模—绑扎钢筋—浇筑混凝土的复杂工序，可以大大缩短工期，节省成本，改善施工环境。
3、侧墙与围护结构一体化设计，侧墙的厚度可适当减小。
4、变形缝、沉降缝、预制构件拼接缝等是地下结构发生渗漏水的主要部位。相对于全预制地铁车站结构，该方案大大减小了预制构件拼接缝的数量，有利于提升地铁车站的防水效果。此外，顶板位置处地下水水头较小，且设置全外包防水和拼接缝防水等多道防水措施，防水质量容易满足要求。
附图说明
图1为本发明局部装配式地铁车站结构横断面示意图。
图2为本发明局部装配式地铁车站结构的俯视图。
图3为本发明中预制顶板构造详图。
图4为本发明中预制顶板与侧墙拼装节点构造详图。
图中，1-明挖基坑及其围护结构； 2-现浇底板； 3-现浇底梁； 4-现浇侧墙； 5-钢筋层； 6-预制下层立柱； 7-预制中梁； 8-叠合中板； 9-预制上层立柱； 10-预制顶梁；11-预制拱形顶板； 12-连接直螺栓； 13-预留孔洞Ⅰ；14-橡胶密封垫；15-灌浆套筒； 16-连接曲螺栓； 17-预留孔洞Ⅱ； 18-预留孔洞Ⅲ ； 19-纵向接力式钢棒； 20-预留孔洞Ⅳ；21-预应力筋Ⅰ； 22-冠梁； 23-预应力筋Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明局部装配式地铁车站结构横断面示意图如图1所示，主要包括明挖基坑及其围护结构1、现浇底板2、现浇底梁3、现浇侧墙4、钢筋层5、预制下层立柱6、预制中梁7、叠合中板8、预制上层立柱9、预制顶梁10、预制拱形顶板11以及各构件之间的连接构造。
基坑围护结构1为地下连续墙或基坑围护桩，作为优选，围护桩为钻孔灌注桩、预制方桩或圆桩。
现浇底板2、现浇底梁3在基坑开挖完成后绑扎钢筋并现场浇筑。
现浇侧墙4一侧以基坑围护结构1为模板，在基坑围护结构1上设置钢筋层5与现浇侧墙4的钢筋交错布置，钢筋层5的位置对应各层楼板高度处。浇筑侧墙时，围护结构1与现浇侧墙4在钢筋层5位置处连接为整体。
现浇侧墙4在与叠合中板8和预制拱形顶板11连接处设置牛腿。
现浇底梁3、预制下层立柱6、预制中梁7、预制上层立柱9、预制顶梁10之间的纵向钢筋通过灌浆套筒连接。
叠合中板8由预制薄板和后浇混凝土组成。首先将预制薄板搭接到现浇侧墙4的牛腿与预制中梁7上，纵向通过机械连接或构造搭接形成连续板，完成预制板连接界面处的防水处理后，在板面后浇混凝土形成叠合中板8。
车站顶板横向由两块预制拱形顶板11组成，其具体构造和连接方式如图1、图2和图3所示。两块预制拱形顶板11之间采用榫槽式接头，利用连接直螺栓12连接紧固后搭接到预制顶梁10上。
如图4所示，预制拱形顶板11的另一端与现浇侧墙4采用榫槽式接头，预制拱形顶板11端部预埋灌浆套筒15，与现浇侧墙4顶部伸出的纵筋连接，同时，连接曲螺栓16穿过预留孔洞Ⅱ 17后分别锚固到现浇侧墙4的牛腿与预制拱形顶板11上。
如图2所示，预制拱形顶板11在纵向逐环拼装，并通过接力式钢棒19施加预拉力拉紧。
预制拱形顶板11之间在纵向和横向均设置橡胶密封垫14，利用连接直螺栓12和纵向接力式钢棒19的拉紧作用挤压橡胶密封垫14，保证预制拱形顶板11的防水效果；预制拱形顶板11与预制顶梁10之间也设置橡胶密封垫14，防止出现应力集中。
预制拱形顶板11横向预留孔洞Ⅳ 20并穿设预应力筋Ⅰ21，通过改变预应力筋Ⅰ21的预应力大小，控制作用在预制上层立柱9上的竖向荷载大小，预应力筋Ⅰ21锚固到现浇侧墙4的牛腿上。
预制拱形顶板11安装完毕后，外贴防水卷材进行顶板全外包防水，形成多道防线。
围护结构1顶部设置冠梁22，冠梁22通过预应力筋Ⅱ 23连接并张拉，通过预应力筋Ⅱ 23向内的拉力平衡预制拱形顶板11拱脚向外的推力，避免现浇侧墙4和围护结构1发生向外的侧移。预应力筋Ⅱ 23表面包裹防水绝缘材料，避免发生腐蚀作用。
下面给出本发明一个具体实施例：
步骤1：施工围挡，平整场地，沿基坑周边等间距施作钻孔灌注桩，浇筑桩顶冠梁，开挖基坑并及时支护。
步骤2：施作底板垫层，垫层终凝后，施工底板防水层及保护层。
步骤3：绑扎底板、底梁和侧墙钢筋，并分别现场浇筑。在各层楼板高度处，设置钢筋层连接现浇侧墙与钻孔灌注桩，将两者浇筑为一体。现浇侧墙与叠合中板、预制拱形顶板连接处设置牛腿；现浇侧墙顶面设置槽口、预留孔洞并外伸纵筋，用于连接预制拱形顶板。
步骤4：装配预制下层立柱、预制中梁、预制叠合中板、预制上层立柱、预制顶梁，各预制构件的纵向钢筋通过灌浆套筒连接。进行预制叠合中板的防水处理，然后绑扎钢筋、后浇混凝土，形成整体叠合中板。
步骤5：装配预制拱形顶板。预制拱形顶板之间以及预制拱形顶板与侧墙之间均采用榫槽式接头连接，横向辅以连接直螺栓、预应力筋Ⅰ、连接曲螺栓、灌浆套筒连接等连接方式，纵向采用接力式钢棒串联并拉紧。预制拱形顶板之间嵌入橡胶密封垫，既起到防水作用，也可以避免应力集中。
步骤6：控制预制拱形顶板中预应力筋Ⅰ的预应力大小，调整作用在预制立柱上的竖向荷载大小到合理范围，预应力筋Ⅰ锚固到现浇侧墙的牛腿上。
步骤7：预制拱形顶板安装完毕后，外贴防水卷材进行顶板全外包防水，形成多道防线。
步骤8：通过预应力筋ⅠⅠ连接围护结构的冠梁并张拉至合理范围，平衡预制拱形顶板拱脚向外的推力。预应力筋ⅠⅠ表面包裹防水绝缘材料，避免发生腐蚀作用。
以上对本发明进行了详细说明，但所述内容不能被认为用于限定本发明的实施范围，凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (2)

1.一种局部装配式地铁车站结构，其特征在于：包括，明挖基坑及其围护结构(1)、现浇底板(2)、现浇底梁(3)、现浇侧墙(4)、钢筋层(5)、预制下层立柱(6)、预制中梁(7)、叠合中板(8)、预制上层立柱(9)、预制顶梁(10)、预制拱形顶板(11)、连接直螺栓(12)、预留孔洞Ⅰ(13)、橡胶密封垫(14)、灌浆套筒(15)、连接曲螺栓(16)、预留孔洞Ⅱ (17)、预留孔洞Ⅲ(18)、纵向接力式钢棒(19)、预留孔洞Ⅳ (20)、预应力筋Ⅰ(21)、冠梁(22)和预应力筋Ⅱ(23)；
所述现浇底板(2)、现浇底梁(3)在基坑开挖完成后绑扎钢筋并现场浇筑；
所述现浇侧墙(4)一侧以基坑围护结构(1)为模板，在围护结构(1)上设置钢筋层(5)与现浇侧墙(4)的钢筋交错布置，钢筋层(5)的位置对应各层楼板高度处；浇筑侧墙时，围护结构(1)与现浇侧墙(4)在钢筋层(5)位置处连接为整体；现浇底梁(3)、预制下层立柱(6)、预制中梁(7)、预制上层立柱(9)和预制顶梁(10)之间连接在一起；
所述叠合中板(8)由预制薄板和后浇混凝土组成；将预制薄板搭接到现浇侧墙(4)的牛腿与预制中梁(7)上，建立连接后，在板面后浇混凝土形成叠合中板(8)；
车站顶板横向由两块预制拱形顶板(11)组成；两块预制拱形顶板(11)采用榫槽式接头，连接直螺栓(12)穿过接头区域的预留孔洞Ⅰ(13)，连接两块预制拱形顶板(11)，连接紧固后的接头搭接到预制顶梁(10)上；预制拱形顶板(11)的另一端与现浇侧墙(4)采用榫槽式接头，预制拱形顶板(11)端部预埋灌浆套筒(15)，与现浇侧墙(4)顶部伸出的纵筋连接；连接曲螺栓(16)穿过预留孔洞Ⅱ (17)后分别锚固到现浇侧墙(4)的牛腿与预制拱形顶板(11)上；
所述预制拱形顶板(11)在纵向设有预留孔洞Ⅲ (18)，预留孔洞Ⅲ (18)内穿设纵向接力式钢棒(19)并逐环拉紧；
所述的预制拱形顶板(11)之间在纵向和横向均设置橡胶密封垫(14)，利用连接直螺栓(12)和纵向接力式钢棒(19)的拉紧作用挤压橡胶密封垫(14)，保证预制拱形顶板(11)的防水效果；
所述预制拱形顶板(11)横向预留孔洞Ⅳ (20)并穿设预应力筋Ⅰ(21)，通过改变预应力筋Ⅰ(21)的预应力大小，控制作用在预制上层立柱(9)上的竖向荷载大小，预应力筋Ⅰ(21)锚固到现浇侧墙(4)的牛腿上；
所述预制拱形顶板(11)与预制顶梁(10)之间设置橡胶密封垫(14)，避免应力集中现象；
所述基坑围护结构(1)为地下连续墙或基坑围护桩；
所述现浇底梁(3)、预制下层立柱(6)、预制中梁(7)、预制上层立柱(9)、预制顶梁(10)之间的纵向钢筋通过灌浆套筒连接；
围护结构(1)顶部设置冠梁(22)，冠梁(22)通过预应力筋Ⅱ(23)连接并张拉，通过预应力筋Ⅱ(23)向内的拉力平衡预制拱形顶板(11)拱脚向外的推力，避免现浇侧墙(4)和围护结构(1)发生向外的侧移；基坑围护桩为钻孔灌注桩；
所述预制拱形顶板(11)安装完毕后，外贴防水卷材进行顶板全外包防水，形成多道防线；
预应力筋Ⅱ(23)表面包裹防水绝缘材料，避免发生腐蚀作用。
2.一种如权利要求1所述的局部装配式地铁车站结构的施工方法，其特征在于：
步骤1：施工围挡，平整场地，沿基坑周边等间距施作钻孔灌注桩，浇筑桩顶冠梁，开挖基坑并及时支护；
步骤2：施作底板垫层，垫层终凝后，施工底板防水层及保护层；
步骤3：绑扎底板、底梁和侧墙钢筋，并分别现场浇筑；在各层楼板高度处，设置钢筋层连接现浇侧墙与钻孔灌注桩，将两者浇筑为一体；现浇侧墙与叠合中板、预制拱形顶板连接处设置牛腿；现浇侧墙顶面设置槽口、预留孔洞并外伸纵筋，用于连接预制拱形顶板；
步骤4：装配预制下层立柱、预制中梁、预制叠合中板、预制上层立柱、预制顶梁，各预制构件的纵向钢筋通过灌浆套筒连接；进行预制叠合中板的防水处理，然后绑扎钢筋、后浇混凝土，形成整体叠合中板；
步骤5：装配预制拱形顶板；预制拱形顶板之间以及预制拱形顶板与侧墙之间均采用榫槽式接头连接，横向辅以连接直螺栓、预应力筋Ⅰ、连接曲螺栓、灌浆套筒连接，纵向采用接力式钢棒串联并拉紧；预制拱形顶板之间嵌入橡胶密封垫，既起到防水作用，也避免应力集中；
步骤6：控制预制拱形顶板中预应力筋Ⅰ的预应力大小，调整作用在预制立柱上的竖向荷载大小到合理范围，预应力筋Ⅰ锚固到现浇侧墙的牛腿上；
步骤7：预制拱形顶板安装完毕后，外贴防水卷材进行顶板全外包防水，形成多道防线；
步骤8：通过预应力筋Ⅱ 连接围护结构的冠梁并张拉至合理范围，平衡预制拱形顶板拱脚向外的推力；预应力筋Ⅱ 表面包裹防水绝缘材料，避免发生腐蚀作用。
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