地铁车站装配式标准化研究.docx

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地铁车站装配式标准化研究

第一章研究的现状，意义和建议

§1.1研究现状…………….……………………………………....…………………3

1.1.1国外装配式结构的应用历史和研究现状……………………………...3

1.1.2国内装配式结构的应用历史和研究现状……………………………41.1.3装配式结构在地下工程中的应用和待解决的问题..…………………….5

§1.2研究在实际工程中的重要意义………….…………………………...………9

§1.3建议的研究方法和研究路线……………………………..…………………10

1.3.1目前地铁车站装配式结构研究尚待解决的一些问题…………………10

1.3.2建议采用的研究方法和研究路线………………………………………10

第二章结构选型、划分和接头方案

§2.1明挖装配式地铁车站的结构选型和结构划分………………………………12

2.1.1装配式结构设计的根本原那么……..…………………………………….12

2.1.2车站结构的选型方案和结构划分…….………………………………....13

2.1.3结构选型和结构划分的建议…………………………………......……....15

2.1.4侧墙连接形式的建议……………………………………………………17

§2.2接头位置选择和节点连接方式………………………………………...….…...18

2.2.1接头位置的选择原那么…..……………………………………………........18

2.2.2节点设计的一般原那么……………………………………………………18

2.2.3目前国内装配式结构节点构造设计型式和各种节点构造型式的施工、受力优缺点………………………………………………………………19

2.2.4装配式地下结构节点的受力特点………………………………………30

2.2.5单跨和双跨车站结构可采用的普通装配式构件连接方案……..............30

2.2.6建议采用预压装配式接头方案的必要性和节点构造适示意图…….....33

第三章结构防水

§3.1防水设计的原那么和设防标准…………………………………………………..34

§3.2城市地铁工程防水的一般要求………………………………………………..34

§3.3明挖法施工的构造特点与防排水要求………………………………………..35

§3.4车站的防水设计………………………………………………………………..36

3.4.1主体结构的防水设计与施工…………….………………………………....36

3.4.2结构接头、接缝等的防水设计与施工………………………………….…37

第四章方案急待解决的问题和实验工程建议

§4.1明挖装配式地铁车站抗震设计待解决的问题…...………..………………….38

4.1.1装配式地铁车站抗震设计分析理论和设计方法研究的重要意义………38

4.1.2车站震动台实验的建议…...………………………….………………….…38

4.1.3地铁车站结构地震反响数值模拟分析的建议……....…………………….39

§4.2装配式结构节点刚度折减系数和节点延性的研究…………….…………….39

4.2.1装配式结构节点力学行为研究的必要性…....…………………………….39

4.2.2装配式结构节点模型实验的建议…...…………………………………….40

4.2.3装配式结构节点受力理论计算分析的建议…...………………………….40

§4.3装配式地铁车站结构防水技术的研究………...……………………………...40

4.3.1目前地铁的防水现状………………………………………………………40

4.3.2装配式地铁车站防水技术研究的必要性和紧迫性………………………41

4.3.3装配式地铁车站防水技术研究内容的建议……………………………....42

第五章方案的评价

§5.1研究方案的综合评价………...………………………………………………….43

第一章研究的现状、意义和建议

§1.1研究现状

1.1.1国外装配式结构的应用历史和研究现状

1974年，联合国经济社会事务部在对欧洲各国建筑工业化状况进行调查后指出:

建筑工业化是本世纪不可逆转的潮流。

1989年国际建筑研究与文献委员会（CIB）第十一届大会将建筑工业化视为当代建筑技术开展趋势之一。

各工业大国在住宅建筑方面都己大局部或全部走向工业化的道路。

粘土烧制的小砖已根本被淘汰。

前苏联非常重视预制装配式结构的开展，早在20世纪70年代就己有预制构件厂家4500多家。

目前，日本大局部房屋都是在工厂制造出来的.以大和房屋工业株式会社生产的钢结构单门独院的民用预制装配式房屋为例，其制造工艺流程简单快捷，每栋房屋从客户订货到制造装配完毕，全部过程只需要几十天。

装配式建筑在其它东欧国家也得到了相当的开展，东欧各国利用预制装配技术建造了大量的工业厂房和多层民用建筑。

其中，前南斯拉夫的，"IMC〞体系被成功引入我国。

该结构体系的根本原理是用后张法将预制楼板和柱子连接起来，在板柱之间形成预应力摩擦节点，楼板的垂直荷载依靠四角摩擦力传给柱子，水平荷载那么主要依靠剪力墙传至根底。

“IMC〞体系经受了1969和1981年前南斯拉夫班亚·卢卡地区强烈地震的考验，表现了良好的抗震性能，如今已在匈牙利、古巴、埃及和安哥拉等国得到广泛应用。

20世纪80年代初期,建筑业开展的这一系列新工艺,如大板、升板体系、南斯拉夫体系、预制装配式框架体系等等,对建筑工业化开展起到了有益的推进作用。

但这些有益的实践之后,均未有大规模的推广。

究其原因,主要是因为当时的这些新工艺在高度、建筑型式、功能要求等方面有很大的局限。

加之受到当时的经济条件制约,机具设备和运输工具落后,运输道路狭窄,无法满足相应的工艺要求。

另外,受技术

水平的限制,体系接头处理不善,极易造成漏水,而且接头构造处理不当,削弱了其受力性能,在地震设防区产生的影响更大。

这些客观的技术经济条件遏制了装配式结构体系开展的势头。

21世纪初，随着经济的高速增长，新技术、新材料已有长足开展,已不是20世纪70、80年代可以相比的,在现有的技术经济条件下,装配式建筑又迎了新的开展契机。

新型装配式结构体系设想和新型装配式结构体系与企业流程再造正在不断取得长足开展。

1.1.2国内装配式结构的应用历史和研究现状

建筑工业化,就是要用大工业的生产方式来建造各种建筑结构,是建筑业从手工操作的小生产方式逐步过渡到社会化大生产方式的全过程。

我国在20世纪50年代,就提出建筑工业化的问题,借鉴前苏联的经验,开始在全国建筑业推行标准化、工厂化、机械化,开展预制构件和预制装配建筑。

从20世纪70年代初到80年代中期,预制混凝土构件生产经历了大开展时期,到20世纪80年代末,全国已有数万家构件厂,全国预制混凝土年产量达2500万ｍ3。

工厂化的新开展使商品混凝土得到了很大开展,我国大、中城市（尤其是我国东部地区）根本上都已拥有商品混凝土生产企业,年生产能力已到达3000万ｍ3以上。

局部大城市的商品混凝土产量已超过现浇混凝土总量的50%。

我国的建筑机械行业得到了巨大的开展,通过引进、消化、吸收和国产化,迅速缩小与国外先进水平的差距。

1990年建工系统全员动力装备率就已到达每人3.2KW,综合机械化施工程度已到达60%以上,打桩、吊装、垂直运输机械化到达95%以上[1,2]。

由于多层工业与民用建筑大多采用现浇混凝土结构体系,所以建筑工业化也是围绕这一体系进行的。

商品混凝土的大力开展正是其典型代表。

勿庸置疑,所有进行的革新均有助于建筑业的开展。

然而,由于现浇结构体系自身的特点,大量的手工劳动不可防止。

现场仍然要进行支模,钢筋绑扎、连接,混凝土的振捣、养护等等,均为手工操作,不可能进行完全的工业化生产。

目前，我国构配件与制品已具备了相当的生产能力，据不完全统计，1989年共有钢筋混凝土构件生产厂家538家，职工总数约13万人，年生产量约为660万立方米。

住宅建设方面，我国曾广泛应用和推广了装配式大板建筑，并积累了丰富的科研成果和工程经验。

1976年的唐山地震后，我国整体板柱建筑“IMC〞的研究和开发开始启动。

原国家建委原国家建工总局和国家科委相继下达科研任务，下拨科研经费近200万元，在北京、成都、唐山、重庆、广州、沈阳、天津及兰州等地推广和应用这一体系数十万平米。

结合多年的科研成果和工程经验积累，我国在1993年推出了?

整体预应力装配式板柱建筑技术规程?

。

1.1.3装配式结构在地下工程中的应用和尚待解决的问题

从国内外预制技术的开展现状看，隧道及地下工程的预制技术主要应用在盾构法修建的工程中，一般为圆形结构。

在铁路隧道和公路隧道中也有应用实例，例如在秦岭特长铁路隧道中，仰拱就采用预制化的技术；日本曾在双车道公路隧道中，进行了单跨矩形装配式结构的试验研究。

日法曾联合在公路的扩建工程中开发了大型拱形结构的预制技术，最大跨度已到达12m左右。

在明挖法修建的地下铁道中，预制技术也有一些研究和应用实例。

如图1-1是在地下铁道明挖法中应用过的一种装配式钢筋混凝土衬砌结构，这种结构定型推广在50年代中后期，在放坡基坑和工字钢加木衬板维护的基坑中以及无水地层或配合降水的基坑中，都能成功的采用，而且进度亦比现浇混凝土快，它也需要一些让构件整体化的现浇混凝土。

这种结构共有8块预制构件，都由构件厂生产。

整个结构采用全包防水层防水。

底板的防水层上做了保护层后拼装预制构件，灌注底板、边墙的整体化混凝土，用砂浆灌竖缝，混凝土凝结后上顶板，之后完成顶板接缝间的混凝土，将顶部抹平，两侧倒圆角，闭合外包防水层。

防水层保护层做好后，最后才可以实施回填。

这种方法工程费用与盾构法比拟起来，主要是没有盾构的折旧费〔约占整个工程费用的1/3〕。

“成段衬砌〞结构如图1-2所示。

这种结构是60年代提出，逐渐定型，70年代以后广为采用的一种结构形式。

它是象预制的大直径下水道管段一样的地铁衬砌，不过它是矩形截面的空间结构。

逐块地将成段衬砌以明挖法接起来即可形成隧道。

在乌兹别克斯坦，塔什干市地铁二号线用这种衬砌修建了7.2km长的隧道。

施工进度到达每昼夜9m〔一个工作面〕。

这种衬砌比用单块预制件拼合的拼装结构含钢率小，而且完全可以满足抗震要求。

这种采用外包防水层来防水。

除此之外“壳式隧道〞在荷兰鹿特丹地铁东西线上采用过的一种装配式结构型式。

采用这种预制方法，施工速度非常快，每周可以修建30m长的隧道，此种装配式地下结构在交付使用数年后，仍然保持着良好的防水效果。

日本在仙台市地下铁道工程中，曾采用预制双跨箱型结构，构件的箱体尺寸是11.092m×7.440m，整个结构分成顶板、底板、侧壁及中柱等5个预制构件，设计中主要解决了构件的划分和轻量化，构件的纵向和横向连接问题。

前苏联曾在用明挖法施工的地铁线上，包括车站、区间隧道、以及车站附属建筑和辅助隧道工程，均采用定型拼装的统一规格的钢筋混凝土结构。

到80年代后期，在明挖法施工的区间隧道中，开始广泛采用整体管段衬砌。

白俄罗斯在地下铁道工程中，大力推行将预制混凝土衬砌设计标准化的技术，而且取得了一定的成就。

在装配式地铁车站结构的研究和应用上，俄罗斯取得了长足的开展。

俄罗斯在工业化施工与长期使用的成功经验上，通过实验和现场测试等研究工作，采用单拱结构的根本原理和特点修建了俄罗斯第一个地铁双层换乘枢纽。

在彼德堡地铁伏龙芝滨海线花园站到挈卡诺夫站区间内，建成了伏龙芝滨海线到未来的环线的体育馆换成站，后来批准的名字为奥林匹克站。

车站整体结构形式为装配式层间楼板单拱结构，结构断面具体形式如图1-3所式。

车站结构上拱半径11.2m，由12个厚70cm，沿车站方向宽50cm的钢筋混凝土构机组成。

仰拱内径15m由13个构件块组成，它由两个带衬垫的钢筋契形接头挤压紧而闭合。

内部的装配式钢筋结构是作为上层站台和道路下的支撑结构，该结构成梁柱组合形式，柱距4m，柱安设在纵向整体钢筋混凝土构件的“杯子〞中，构件是混凝土浇筑在刚性根底界限内，刚性根底铺设在仰拱衬砌上。

在柱的顶部安设装配式钢筋混凝土梁，这些梁联成绗架。

为了承接上层道路行驶列车的荷载，在路轨下设置了钢筋混凝土装配式梁，一端支撑在绗梁上，另一端支撑在整体式混凝土支柱的托架上。

车站上下两层站台都是由装配式钢筋混凝土建造而成的。

上层站台宽11.7m,由于下层中柱占去一局部空间，下层站台宽度为13.2m..车站建成后于1996年交付使用。

图1-3装配式层间楼板单拱结构地铁车站

除此之外，近年来在地铁车站建设中使用装配式结构亦出现了其它形式。

圣彼得堡地铁车站也式采用单拱车站横断面，具体形式如图1-4所示。

车站埋设于不透水的致密粘土层中，拱圈和仰拱均由混凝土砌块组成，并支撑在两个圆形支墩上。

由于该种结构形式没有受拉接构件，所以只适用于有一定自稳能力的地层。

图1-4圣彼得堡地铁车站装配结构形式

在明挖法施工的装配式地铁车站结构中，结构多采用矩形断面形式。

如图1-5所示，该地铁车站结构的底板采用整表达浇的混凝土，边墙和顶板预制，顶板采用的密肋板式结构，使得重量减轻且有利于拼装。

图1-5明挖法装配式地铁车站结构形式

以上实例说明，地下结构的预制技术以有一定程度的开展。

开展地下工程的预制技术所带来的经济、技术效益也是明显的。

然而近年来，装配式结构主要应用在一些桥梁工程中，在地下工程方面，装配式结构的开展速度非常缓慢。

而且，目前地下铁道装配式结构还没有成熟的计算理论可依，而且国内外对装配式地下结构的计算理论研究不是很多,防水技术方面亦处于试验摸索阶段，在装配式地下工程抗震理论方面的研究更是欠缺。

§1.2研究在实际工程中的重要意义

目前许多国家都把预制化作为技术开展的一个重要标志,构件预制化的程度越高技术水平也就越高。

同时构件预制化也是使工厂化的一个必然趋势，是加快修建速提高工程质量的有效方法。

采用预制构件不仅可以提高工程质量还可以缩短工期降低本钱。

同时提高地下工程施工的工业化程度。

尤其对改善地下工程内的施工环境更是明显。

虽然国内对地铁区间装配式结构有一定的研究，但对地铁车站以及其他地下铁道附属物装配式结构的研究还处于起步阶段。

相对对于地上装配式建筑而言，地下工程装配式结构的相关设计理论和设计、施工标准都十分欠缺。

由于地下工程本身的复杂性，我们不可能将现有的地上工业与民用建筑装配式结构设计和施工的计算理论和施工工艺照搬照用到地下结构中来。

由于地下工程装配式结构的应用，可以给我们带来可观时间、技术和经济效益，同时又由于国内在此领域内技术的缺乏和研究的空白，这就迫使我们必须进行地下工程装配式结构相关设计理论的研究。

同时，在地下工程结构抗震设计方面，据国内设计单位介绍,在进行地铁车站设计时,考虑到土的阻尼和约束作用,一般不进行抗震设计。

然而,从1995年1月日本神户地震的震害调查说明,神户的地铁车站在这次地震中车站结构遭受了严重震害。

这是第一起地下结构遭受的严重震害,因而引起人们的关注。

研究地下结构在地震作用下的反响,无论对研究地下结构的震害,还是对地下结构的抗震设计都有特殊的意义。

同时，由于装配式地下工程结构本身所具有的特殊性，对它抗震的研究更有必要性和工程意义。

1.3建议的研究方法和研究路线

1.3.1目前地铁车站装配式结构研究尚待解决的一些问题

在大型预制化技术的开展中，结合已有的工程实例来看，目前地铁车站装配式结构的研究要重点解决以下四个方面的问题。

一．构件的标准化的研究。

构件预制化是与构件标准化紧密相关的。

而地下铁道中的构件是否能实现标准化，是采用构件预制化的前提条件，也是与效益相关的。

二．预制结构形式的选择及构件的合理划分。

结构型式选定后，构件的划分不仅仅要考虑到结构合理的受力状态，更要考虑构件的制造和安装的可能性。

三．构件的接头构造及防水。

构件的接头构造和防水处理是构件预制化的关键技术之一，影响到结构的使用环境和结构的耐久性。

四．构件的制作与安装。

构件预制化技术的成败，是在施工管理上。

严格的、良好的施工管理主要表现在构件的制造和安装工艺上，这两个环节应该给予充分的关注。

1.3.2议采用的研究方法和研究路线

结合上述地铁车站装配式结构研究尚待解决的的这些主要问题，对本研究工程建议采用以下的研究路线和研究方法。

一．建议的研究路线：

〔1〕、配合管线布置，对地铁车站结构进行结构选型和构件划分，提出装配式双层双跨框架结构和装配式双层单跨式预应力结构两种方案。

结构接缝设计，包括接缝构造和接缝防水；

〔2〕、对两种方案进行结构受力分析；

〔3〕、根据分析结果进行结构形式比选、构件划分确实定；

〔4〕、对划分后的构件进行纵向、横向接头的选型；

〔5〕、结构接缝、接头的防水设计；

〔6〕、对该方案在施工方面的可行性，对环境的影响和经济性等方面做出客观评价。

二．建议的研究方法：

首先通过有限元分析确定构件划分的合理位置；再次通过模型试验和数值分析、理论计算等方法，确定接头受力特性和刚度折减系数；其次通过装配式地铁车站结构震动台试验和数值计算确定确定装配式地铁车站的地震反响机理以及地震情况下可能造成的震害；通过对装配式车站结构整体防水和接头、接缝的防水试验研究，得出适合装配式地铁车站结构的防水理论和防水工艺。

以上研究为地铁车站装配式结构设计、施工提供合理依据。

第二章结构选型、划分和接头方案

§2.1明挖装配式地铁车站的结构选型和结构划分

2.1.1装配式结构设计的根本原那么

预制装配式结构设计的关键在于保证结构体系的整体性，为此装配式结构必须合理地设计预制件间的连接，提高连接部位的整体连续性能，从而保证结构体系的整体性，使其具有尽可能多的赘余度，因为超静定结构比静定结构具有更高的平安性和更好的抗震性能。

因此，装配式结构设计应遵循以下的一些根本设计原那么：

一．装配式结构宜用于平面规整对称，竖向刚度均匀的建筑结构中。

二．装配整体式框架刚性节点应满足现浇结构的有关设计规定，其节点的承载力余延性不应低于现浇结构。

三．装配式结构的连接，应能保证构件的连续性和结构的整体性。

四．构件连接部位的承载力，不应低于其连接构件的承载力。

五．装配整体式接头应满足施工阶段和使用阶段的承载力、稳定性和变形的要求。

六．对承受弯矩的刚性接头，设计时应使接头部位的截面刚度与邻近接头处的预制构件的截面刚度相接近，防止引起应力集中。

七．按刚性连接设计的柱与柱、梁与柱、梁与梁之间的接头，钢筋宜采用焊接或机械连接。

当接头的构造和施工措施能保证节点的承载力和刚性要求时，接头的钢筋亦可采用其他的连接方法。

八．在保证结构整体受力性能的前提下，应力求连接形式简单，传力形式简单，传力直接，受力明确。

九．装配式结构的设计应考虑安装的方便，误差易于调整，且连接后能较早承受荷载，以便上部结构的继续施工。

十．预制梁、柱构件的截面设计和构造要求，应满足混凝土结构的相关标准和装配式结构相关设计标准的规定。

十一．装配式框架使用阶段，在竖向荷载作用下的内力计算，应考虑节点刚度降低对框架内力的影响。

十二．装配式框架结构中，砌体填充墙在平面和竖向的布置，宜均匀对称，防止形成薄弱层或短柱。

十三．在多遇地震作用下，装配式结构应考虑节点刚度降低对框架位移的影响，计算层间位移。

2.1.2车站结构的结构选型和划分方案

根据相关要求，在明挖地铁车站预制技术研究中，选取了两种装配式结构方案，分别为双层双跨式框架结构和双层单跨式预应力结构。

一．双层双跨式框架结构

底板采用现浇方法制作，底板和柱通过榫式连接。

为了到达梁与柱接头处的弯矩较小的目的，可将梁和柱的接头设置在梁上弯矩为零的地方。

梁与柱的连接可采用叠合梁现浇式连接。

除底板外，构件划分为10块，如图2-1所示，其中侧墙和板的纵向间距为2m，侧墙厚度为0.7m，板厚为0.5m；柱距离为8m,柱子尺寸为0.8×0.8m;纵梁梁高为1.5m。

图2-1双层双跨式框架结构构件

二、双层单跨式预应力结构

底板亦采用现浇方法制作，底板和柱通过榫式连接。

由于跨中弯矩随梁的跨度增加而增大，因此如果要取消中柱成为双层单跨式结构，需要将预制梁做成预应力梁的形式。

取消中柱后，梁与柱相交处的剪力也增大了。

为了提高梁与柱接头处的抗剪能力，采用预压装配式接头。

除底板外，构件划分为4块，如图2-2所示，其中侧墙和板的纵向间距为2m，侧墙厚度为0.7m，板厚为0.5m；柱距离为8m,柱子尺寸为0.8×0.8m；横梁梁高为1.5m。

图2-2双层单跨式预应力结构构件划分图

2.1.3结构选型和结构划分的建议

一．横断面结构选型

通过上述的计算分析，并考虑施工和吊装的简便，建议采用双层双跨式框架结构，底板现浇。

如图2-3所示。

图2-3双层双跨装配式框架结构〔方案1〕

对于双层单跨装配式车站结构，根据计算结果和分析，建议将改方案进行调整，顶层预制楼板采用变截面预应力楼板。

调整后的方案如图2-4所示。

图2-4双层单跨式装配框架结构〔方案2〕

同时，在考虑到双层单跨、双层双跨结构装配时候施工的方便，可采取将柱和底板的榫式连接改为柱与底板的刚性连接。

预制柱底部和底板内甩出钢筋，通过焊接然后整体浇筑在一起，形成刚性连接。

除此之外划分和连接均于上述方案一、二中单跨和双跨情况相同。

具体划分如图2-5所示。

图2-5双层单跨、双跨柱与底板搭接方案图〔方案3〕

2、纵向结构划分

在上述建议结构选型的根底上，将双层双跨式框架结构横断面分成柱、梁共分9块，柱之间和梁之间通过预制板连接，预制构件的纵向间距为2.5～3.0m。

具体划分亦参见图2-1所示；将双层单跨式框架结构横断面分成柱、梁共分5块，柱之间和梁之间通过预制板连接，预制构件的纵向间距为2m。

具体划分亦参见图2-3至图2-5

。

2.1.4侧墙连接形式的建议

装配式地铁车站预制侧墙与地下连续墙以及预制侧墙之间的连接，是装配式地铁车站设计的重点之一。

一．侧墙与连续墙的连接

对于侧墙与地下连续墙的连接，建议采用预应力连接和刚性连接两种。

具体参见图2-6所示。

图2-6预制侧墙与地下连续墙之间的预制连接和刚性连接

二．侧墙之间的连接

由于地下结构所处环境的特点，预制侧墙之间的连接，不仅要考虑到连接稳定，更重要的是要考虑到防水性能。

因此，建议预制侧墙板采用如图2-7所示的连接方式。

图2-7预制侧墙之间的连接示意图

§2.2接头位置选择和节点连接方式

2.2.1接头位置的选择原那么

在第五章的计算分析的根底上，最正确接头位置确实定有三种方案：

第一种设置方式就是将接头设置在对整体结构受力影响最小的位置；第二种设置方式就是将接头位置设置在对整体结构受力最有利的位置；第三种考虑构件装配施工的方便。

根据以往的工程经验，建议将接头设置在弯矩为零处，这是本着减少接头处内力的原那么。

因此，建议将双层双跨顶板的接头分别设置在居左右边墙1.3m处和距离中柱2.0m处。

根据工程具体特点，接头连接方式可以选择普通连接和预压装配式接头连接两种方案。

2.2.2节点构造设计的一般原那么

一．节点形式应根据结构特点和施工条件确定；在保证结构整体受力性能的前提下，力求构造简单、传力直接、连接形式与静力计算假定计算假定相符合。

二．要求施工方便，安装固定简单可靠，误差易于调整，构件连接后能尽快承受局部或全部设计荷载。

三．尽量减少二次浇灌混凝土和焊接工作量，尽量减少钢材用量。

四．满足抗震节点设计的相关要求