城市轨道交通车站基坑装配式预应力混凝土支撑设计研究

黄锐，王彦杰（.上海隧道工程有限公司市政公用工程设计研究院，上海 0003；.上海隧道工程有限公司，上海0003）

0 引 言

随着城市化的持续发展，城市轨道交通的规划和建设力度也不断加大。但城市轨道交通车站基坑的施工难度却越来越大，主要表现为施工场地空间越来越狭小、工期要求越来越紧迫、周边变形沉降控制要求越来越苛刻、可持续发展及成本控制要求越来越严格等。这些都给城市轨道交通基坑施工提出了更高的要求和挑战。

传统现浇混凝土支撑，由于其材料、截面特性及连接构造，具有刚度大、控制变形好、整体受力好及对大跨度和异形基坑适应性强等特点，因而广受青睐。但同时也因以下缺点常被诟病。

（1）自重大。随着基坑跨度加大，支撑长度和截面也越大，自身重量也随之增大，往往一根支撑平均重达三四十吨，从而给后期拆除和外运增加了难度和成本。另外，当支撑跨度较大时，还要设置中间立柱减小跨度以降低自重变形。

（2）无法重复利用。混凝土支撑由于其自身特性，基坑施工结束后只能原位破除，无法重复利用，成为建筑垃圾。相较于钢支撑，这一点不符合可持续发展及成本控制的理念。

（3）养护周期长。现浇混凝土支撑无法立即投入使用，需要较长的养护周期方可达到设计强度，在此之前无法进行下一步基坑施工作业。

城市轨道交通车站基坑跨度（标准段）一般为19～23 m。根据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》，基坑支撑跨度较大时，须设置中间立柱以减小其计算跨度，增加稳定性，混凝土支撑单跨长度≤15 m。根据DG/TJ08－61－2018《基坑工程技术标准》第10.2.11节相关规定，混凝土支撑竖向挠度宜小于计算跨度的1/800～1/600，偏心距不宜小于支撑计算长度的1/1 000且不小于20 mm。

基于此，提出装配式预应力混凝土支撑设计，旨在利用混凝土支撑优点的同时，对其不足之处进行创新式的改进设计。城市轨道交通车站具有一定程度的标准化，将混凝土支撑进行分段标准化设计，采用“工厂预制＋现场安装”的方式，将各支撑节段利用后张法工艺拼装成整根预应力支撑梁，然后将支撑梁两端与基坑围檩进行整体现浇，即形成装配式预应力混凝土支撑。本文依托具体工程案例，阐述城市轨道交通车站基坑装配式预应力混凝土支撑设计。

1 预应力梁设计方案的提出

本研究依托工程为上海市轨道交通世博大道站主体基坑工程。世博大道站车站总长184.2 m，标准段基坑宽度约23.1 m，坑深32.5 m，设置第一、四、六道为混凝土支撑和第二、三、五、七、八道为钢支撑，支撑中间设置单立柱。

拟选取首道某根混凝土支撑作为试验对象，替换为装配式预应力混凝土支撑，支撑梁全长为21.9 m，分2段预制，预制梁中间接头采用法兰盘连接，两端头与基坑围檩采用现浇接头连接。装配的预制梁采用后张法张拉，通过预应力张拉，使梁的受拉区提前预压，在使用过程中会抵消因自重产生的拉应力，从而使构件的抗拉强度得以提高。施加预应力时构件会出现反拱，这样在自重及施工活载作用时会减小挠度，进而可以取消设置中间立柱，适应更大的跨度。

2 预应力支撑梁截面设计

本次试验段的主要目的是在确保基坑安全的前提下，验证装配式预应力支撑梁接头连接的可靠性、梁的受力变形特性。梁截面尺寸为1 000 mm×900 mm，跨度为23.1 m，梁顶施工活载取4 kPa。考虑到梁接头的连接效果、施工质量及取消立柱后跨度的增大等因素，本次支撑梁分别按普通混凝土构件计算配筋和预应力混凝土构件计算配筋进行设计。

2.1 普通混凝土构件计算

按普通混凝土构件计算时，先按纯弯构件计算内力如下。

基坑围护首道支撑轴力为3 366 kN；根据DG/TJ 08-61—2018《基坑工程技术标准》，偏心距eo取Max[L/1 000，20]，则eo＝23.1 mm。因此，附加弯矩Me＝3 366×23.1/1 000＝78 kN·m。

实际配筋：支座为10D28 mm，跨中为10D18 mm，箍筋为d12 mm@100 mm（150 mm）。

2.2 预应力混凝土构件计算

装配式预应力梁两端与基坑围檩（冠梁）的连接采用现浇接头处理，故装配式预应力梁实际全长为21.9 m，单根节段梁长度为10.95 m，两端设置450 mm×400 mm企口，梁内部为空心结构，空心段长度为8.55 mm，尺寸为500 mm×430 mm，空心率为18.6%。支撑梁简化为简支梁结构进行计算，在端头施加附加弯矩78 kN·m。

2.2.1 正常使用极限验算

（1）正截面抗裂验算。纵梁上、下缘在持久状况荷载短期荷载效应组合作用下的正应力计算结果，如图1、图2所示。根据JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（以下简称“《规范》”）第6.3.1条，对全预应力混凝土构件，在作用短期效应组合下，不得出现拉应力。计算表明，在作用短期效应组合下，支撑梁截面上、下缘均没有出现拉应力，最大压应力为11.31 MPa，满足《规范》要求。

图1 纵梁作用短期效应组合下最大正应力图（单位：MPa）

图2 纵梁作用短期效应组合下最小正应力图（单位：MPa）

（2）斜截面抗裂验算。纵梁短期效应组合下的主拉应力计算结果，如图3所示。根据《规范》第6.3.1条，对全预应力混凝土构件，在作用短期效应组合下，预制构件主拉应力不得大于0.6ftk＝0.6×2.65＝1.59 MPa。由图3可知，作用短期效应组合下，最大主拉应力为0.35 MPa，满足《规范》要求。

图3 纵梁作用短期效应组合下主拉应力图（单位：MPa）

（3）纵梁持久状况下标准正应力验算。纵梁在荷载标准组合作用下上、下缘的正应力计算结果，如图4所示。根据《规范》第7.1.5条，预应力混凝土构件，在荷载标准组合下，受压区混凝土的最大压应力不得大于0.5fck＝0.5×32.4＝16.2 MPa。计算表明，纵梁上缘最大压应力为11.66 MPa，下缘最大压应力为9.83 MPa，均满足《规范》要求。

图4 纵梁标准组合下纵梁最大正应力图（单位：MPa）

（4）纵梁持久状况标准主压应力验算。纵梁在持久状况荷载标准组合作用下的主压应力计算结果，如图5所示。

图5 纵梁标准组合下纵梁最大主压应力图（单位：MPa）

2.2.2 承载能力极限状态验算

（1）基本组合下最大内力与最大抗力，如图6所示。由图6结果可知，4 586.55 kN·m＞2 088.93 kN·m，结构抗力均大于结构内力，极限承载力满足要求。

图6 基本组合下最大内力与最大抗力（单位：kN·m）

（2）基本组合下最小内力与最小抗力，如图7所示。由图7结果可知，4 596.55 kN·m＞1 740.77 kN·m，结构抗力均大于结构内力，极限承载力满足要求。

图7 基本组合下最小内力与最小抗力图（单位：kN·m）

2.2.3 结构挠度验算

结构位移，如图8所示。按照《规范》第6.5.3条规定，结构长期挠度值须控制在L/600以内。根据计算结果，跨中位置最大挠度值为2 mm，《规范》要求限值为跨中38.5 mm，故结构挠度满足规定。

图8 结构位移图（单位：m）

根据上文计算结果，预应力混凝土梁构件截面及配束设计如图9所示，钢束选型如表1所示。

表1 预应力混凝土梁钢束选型表

图9 预应力混凝土梁构件截面及配束设计图

根据混凝土构件和预应力混凝土梁构件结果，装配式预应力混凝土梁截面设计，如图10所示。

图10 预应力混凝土梁截面配筋及钢束布置图

3 节点设计方案

3.1 节段梁间连接节点

2根节段梁拼接处端部各设置一块1 200 mm×1 100 mm钢板，厚度为30 mm。钢板与梁内钢筋（上下排主筋及两侧构造筋）采用穿孔塞焊连接，钢板内预留预应力波纹管穿孔和螺栓穿孔。两端钢板采用22根10.9级M24高强螺栓。预应力混凝土梁法兰连接节点设计，如图11所示；现场效果图，如图12所示。

图11 预应力混凝土梁法兰连接节点设计图

图12 预应力混凝土梁法兰连接节点现场效果图

法兰接头主要承受基坑围护水平轴力、支撑自重及施工活载产生的弯矩。弯拉（压）共同作用时，法兰盘单个螺栓拉力计算如下：

式中：n——有效螺栓计算个数；

M——法兰盘所受弯矩，N·mm；

r2——螺栓受力合力作用点距离法兰形心的距离，mm；

N——法兰盘所受轴心力，N，压力时取负值[1]。

法兰接头承受弯矩时，仅考虑法兰盘最下排高强螺栓承受力，基坑围护水平向压力为有利作用，暂不考虑，则：

由计算结果可知，螺栓承载能力满足设计要求。

3.2 节段梁外端头连接节点

张拉拼接后的预应力梁两端与基坑围檩连接的形式主要包括预留钢筋接驳器及预留钢筋接头。预留钢筋接头存在以下问题：外露钢筋接头影响预应力张拉作业；运输安装中容易损坏接头；拆除难度大，从而导致重复利用率降低；等等。而预留钢筋接驳器则可以避免上述问题。另外，梁端外露的张拉锚具及新旧不同形式的构件连接都会降低该处连接节点的可靠性，故将梁端头设计成锯齿状的企口以提高截面的抗剪能力，增强接头的连接效果。装配式梁与基坑围护现浇接头连接节点设计，如图13所示。

图13 装配式梁与基坑围护现浇接头连接节点设计图

（3）拆卸方便、循环利用。采用法兰盘和钢筋接驳器接头连接，可以做到快速方便拆卸，并能重复利用。

（4）减小竖向变形挠度。利用预应力混凝土梁的优点，即使取消立柱及立柱桩后，也能很好地减小混凝土支撑竖向挠度变形。

（5）减小自重。利用预应力梁构件的空心设计，梁体自重可降低约18.6%。

下阶段将通过现场试验对梁构件进行内力和变形跟踪监测，通过对试验数据进行分析，对构件的受力机理做进一步研究。

（1）当前支撑梁按普通混凝土构件和预应力混凝土构件受力分别计算，同时考虑普通钢筋和预应力钢束的作用。下阶段考虑对普通钢筋进行优化。

（2）本次设计仅针对城市轨道交通车站基坑，基坑跨度变化相对较小，支撑分为2个等长节段。当基坑跨度变化时，适应性较差。下阶段继续对梁的分段数、分段长度进行研究，以便灵活组合搭配使用。

（3）城市轨道交通车站基坑竖向一般设置多道混凝土支撑和钢支撑，取消立柱及立柱桩，对钢支撑的变形及稳定性影响增大，故需同步对钢支撑进行配套性设计研究。只有解决此问题，该设计方案才具有可实施性。

4 结 语

本研究针对当前城市轨道交通车站基坑围护支撑设计现状，结合国家相关技术规范，在满足相关设计规范及行业设计习惯的前提下，对现有车站基坑混凝土支撑形式进行了设计改进，提出装配式预应力混凝土支撑设计方案。该支撑设计方案具有如下优点。

（1）缩短工期。通过将梁在工厂内提前预制，可以大大减少现场浇筑及养护时间。

（2）取消立柱及立柱桩。利用预应力混凝土梁的优点，可以取消设置立柱及立柱桩，从而极大地降低工程成本，也间接压缩了工序并缩短工期。