程衛(wèi)紅，黨輝，張琦，任小森

（1. 中國建筑科學(xué)研究院有限公司 建研科技股份有限公司，北京 100013；2. 中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 機(jī)械動(dòng)力與環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300142；3. 中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 地下直徑線工程項(xiàng)目管理部，北京 100045；4. 中鐵六局集團(tuán)北京鐵路建設(shè)有限公司，北京 100036）

1 工程概況

北京朝陽站至五環(huán)路段包含DK12+200—DK18+190段京哈高鐵正線、動(dòng)車走行線、鐵科試車線、既有東北環(huán)線等線路。其中，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司試車線（簡稱鐵科試車線）、既有東北環(huán)線正在運(yùn)營，線路毗鄰部分居住小區(qū)，為降低鐵路噪聲影響，按照2013 年中華人民共和國原環(huán)境保護(hù)部的項(xiàng)目環(huán)評(píng)批復(fù)要求，需要沿線路設(shè)置聲屏障。

為滿足降噪效果16 dB（A）以上的環(huán)評(píng)批復(fù)要求，在毗鄰居住小區(qū)路段設(shè)置混凝土封閉式聲屏障結(jié)構(gòu)。該聲屏障結(jié)構(gòu)不僅要保證降噪隔聲效果，還應(yīng)滿足城市景觀要求。該項(xiàng)目有2 個(gè)區(qū)段：區(qū)段Ⅰ為DK14+400—DK15+050，長約640 m，采用混凝土單跨拱殼結(jié)構(gòu)，單拱跨度39.54 m，結(jié)構(gòu)高度14.5 m；區(qū)段Ⅱ?yàn)镈K15+700—DK16+900，長約1 200 m，采用混凝土拱形框架結(jié)構(gòu)，跨度51.0～81.0 m，結(jié)構(gòu)高度16.5 m［1］。為充分體現(xiàn)綠色環(huán)保的發(fā)展理念，推進(jìn)工程高質(zhì)量建設(shè)，項(xiàng)目主要區(qū)段混凝土殼體均采用預(yù)制裝配式殼板，是我國首例大規(guī)模應(yīng)用預(yù)制裝配式殼板的大跨度混凝土封閉式聲屏障結(jié)構(gòu)。

2 方案可行性

根據(jù)聲屏障主體方案，區(qū)段Ⅰ為標(biāo)準(zhǔn)六軌線平行斷面，區(qū)段Ⅱ?yàn)槎嘬壘€不規(guī)則斷面。其中，區(qū)段Ⅱ結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案見圖1。初步設(shè)計(jì)時(shí)，區(qū)段Ⅱ聲屏障各單體采用漸變式方案，實(shí)現(xiàn)連續(xù)封閉的環(huán)評(píng)要求（見圖1（a））。但是，該方案每榀拱殼結(jié)構(gòu)跨度不一致，結(jié)構(gòu)殼板標(biāo)準(zhǔn)化程度很低，無法發(fā)揮預(yù)制構(gòu)件的工業(yè)化優(yōu)勢。經(jīng)研究調(diào)整，區(qū)段Ⅱ聲屏障采用分段等截面式方案，相鄰區(qū)段通過邊榀掛板，實(shí)現(xiàn)連續(xù)封閉的環(huán)評(píng)要求（見圖1（b）），為預(yù)制裝配式殼板應(yīng)用提供基本條件。

圖1 區(qū)段Ⅱ結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

基于預(yù)制裝配式殼板的特點(diǎn)，分別考慮帶殼板和不帶殼板剛度模型進(jìn)行對(duì)比分析。以區(qū)段Ⅰ標(biāo)準(zhǔn)單體為例，主拱軸線間距6.0 m，主拱在拱肩以上截面為600 mm×800 mm，拱肩至拱腳截面為600 mm×1 500 mm。帶殼板和不帶殼板2種剛度模型的彎矩和變形分析結(jié)果對(duì)比見表1?？梢?，荷載組合為1.2D+1.4L時(shí)，2 種剛度模型的主拱典型部位截面彎矩差異僅約2%；荷載組合為1.0D+1.0L時(shí)，不帶殼板剛度模型典型部位變形約為帶殼板剛度模型的2倍，均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)限值［2］。結(jié)果表明，殼板剛度對(duì)混凝土主拱結(jié)構(gòu)的配筋設(shè)計(jì)影響有限，對(duì)混凝土主拱結(jié)構(gòu)的變形控制影響相對(duì)顯著。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析顯示，帶殼板和不帶殼板剛度模型的線性屈曲特征值分別為26.2和22.2，不帶殼板剛度方案主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定冗余度略微下降，但均遠(yuǎn)大于規(guī)范限值要求。

表1 剛度模型彎矩及變形分析結(jié)果對(duì)比

根據(jù)殼板形式、節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造的不同，預(yù)制裝配式殼板均具備一定的平面內(nèi)外剛度，實(shí)際受力狀態(tài)介于帶殼板和不帶殼板剛度模型之間。通過2種模型的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、結(jié)構(gòu)變形和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性3 個(gè)方面的對(duì)比分析，判斷項(xiàng)目應(yīng)用預(yù)制裝配式殼板方案基本可行。

3 殼板選型

該項(xiàng)目工程為拱形結(jié)構(gòu)，預(yù)制裝配式殼板可采用曲面殼板和平面殼板。其中，曲面殼板需要由多個(gè)平面擬合而成。調(diào)研評(píng)估顯示，曲面薄殼的預(yù)制加工、運(yùn)輸?shù)跹b難度明顯高于平面殼板，僅在盾構(gòu)隧道中有一些曲面厚殼的應(yīng)用及研究［3］。因此，采用平面殼板擬合拱形曲面的設(shè)計(jì)方案。

平面殼板可采用順軌線方向和垂直軌線方向2種布置方案。其中，順軌線方向布置預(yù)制裝配式殼板荷載直接傳遞給主拱，受力直接且板型基本規(guī)則；垂直軌線方向布置預(yù)制裝配式殼板荷載先傳遞給拱間連系梁，再傳遞給主梁，受力路徑更長且曲率半徑較小的拱肩位置平面板型難以適應(yīng)。因此，采用順軌線方向的預(yù)制裝配式殼板布置方案。在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)幾種預(yù)制裝配式殼板進(jìn)行綜合比選。

3.1 預(yù)制混凝土疊合板

對(duì)于預(yù)制混凝土疊合板，通過其疊合層的雙向板配筋設(shè)計(jì)，基本實(shí)現(xiàn)等同現(xiàn)澆，其受力狀態(tài)與現(xiàn)澆混凝土殼板基本一致，可按現(xiàn)澆混凝土拱殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；同時(shí)，預(yù)制疊合層可作為現(xiàn)澆層的模板，減小樓板的支模和拆模作業(yè)。該項(xiàng)目主拱軸線間距為6 m，根據(jù)15G366-1《桁架鋼筋混凝土疊合板》相關(guān)要求，預(yù)制混凝土疊合板軸跨4～6 m，跨中需設(shè)置2 道臨時(shí)支撐［4］。另外，拱間殼板主要為傾斜殼板，疊合層后澆作業(yè)需要設(shè)置外模板，實(shí)際施工難度非常大，難以發(fā)揮裝配式施工優(yōu)點(diǎn)。

3.2 普通鋼筋混凝土預(yù)制板

普通鋼筋混凝土預(yù)制板按照6 m 跨單向板設(shè)計(jì)時(shí)，板厚取跨度的1/30 為200 mm。兩端簡支時(shí)計(jì)算撓度約95.0 mm，撓跨比1/63，遠(yuǎn)大于規(guī)范限值1/200；兩端固支時(shí)計(jì)算撓度約14.3 mm，撓跨比1/418，滿足規(guī)范限值。由于沒有疊合層，固支設(shè)計(jì)需要預(yù)制板設(shè)置胡子筋，在節(jié)點(diǎn)區(qū)通過等強(qiáng)后澆帶實(shí)現(xiàn)。殼板頂筋直徑12 mm 對(duì)應(yīng)錨固長度432 mm，主拱截面寬度600 mm，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造對(duì)預(yù)制裝配式殼板的安裝定位、后澆區(qū)的配筋設(shè)計(jì)和混凝土澆筑施工質(zhì)量要求較高，實(shí)際施工難度非常大。

3.3 SP預(yù)應(yīng)力空心板

SP 預(yù)應(yīng)力空心板采用單向有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋作為受力主筋，殼板中部采用空腔設(shè)計(jì)，單位面積質(zhì)量較同等厚度普通混凝土預(yù)制板減小約30%［5］。按簡支單向板設(shè)計(jì)，跨度6 m 對(duì)應(yīng)殼板厚度可取150 mm，考慮荷載長期作用的標(biāo)準(zhǔn)組合工況下，計(jì)算撓度為6.3 mm，且混凝土受拉側(cè)未出現(xiàn)拉應(yīng)力，殼板撓度和裂縫均滿足規(guī)范要求。殼板結(jié)構(gòu)的整體耐久性性能明顯優(yōu)于普通現(xiàn)澆混凝土殼板。按照簡支殼板設(shè)計(jì)，SP 預(yù)應(yīng)力空心板與主拱的連接節(jié)點(diǎn)主要解決防脫落問題，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)簡單，施工難度相對(duì)較低。另外SP 預(yù)應(yīng)力空心板采用長線臺(tái)（200 m）的先張預(yù)應(yīng)力技術(shù)，可以根據(jù)不同跨度要求進(jìn)行切割，靈活適應(yīng)各種跨度的要求。

綜上所述，經(jīng)過比選確認(rèn)SP 預(yù)應(yīng)力空心板在本工程中能夠充分發(fā)揮預(yù)制裝配式殼板的工業(yè)化優(yōu)勢，在節(jié)點(diǎn)構(gòu)造處理上也具有明顯優(yōu)勢，其次空心板設(shè)計(jì)能夠適當(dāng)減小主體結(jié)構(gòu)自質(zhì)量，對(duì)主拱結(jié)構(gòu)的配筋設(shè)計(jì)有一定改善。

4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)技術(shù)

預(yù)制裝配式殼板在主拱的側(cè)面和頂面有2種不同的受力狀態(tài)：側(cè)面受力狀態(tài)類似墻體構(gòu)件，頂面受力則類似樓板構(gòu)件［6-7］。因此，側(cè)面SP 預(yù)應(yīng)力空心板采用雙層配筋構(gòu)造，避免單側(cè)預(yù)應(yīng)力作用導(dǎo)致反拱變形過大，出現(xiàn)殼板破壞；頂面SP 預(yù)應(yīng)力空心板采用單層配筋構(gòu)造，既確保了安全，又有效降低了造價(jià)。在預(yù)制殼板的過程中，主要應(yīng)用了以下關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)技術(shù)。

4.1 主拱與殼板間的節(jié)點(diǎn)

主拱與殼板間的節(jié)點(diǎn)是裝配式殼板最重要的荷載傳遞路徑。根據(jù)05SG408《SP 預(yù)應(yīng)力空心板》相關(guān)要求，SP 預(yù)應(yīng)力空心板應(yīng)用于抗震設(shè)防烈度為8 度的地區(qū)時(shí)，應(yīng)在板側(cè)鍵槽或芯孔開槽位置設(shè)拉錨鋼筋，與預(yù)埋的拉筋拉結(jié)，通過混凝土后澆帶與主體結(jié)構(gòu)形成有效連接［5］。為進(jìn)一步提高預(yù)制裝配式殼板和主拱結(jié)構(gòu)連接的可靠度和安全性，對(duì)圖集節(jié)點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行了以下深化和改進(jìn)：

（1）板端支承長度加大至200 mm；

（2）明確采用芯孔開槽連接構(gòu)造；

（3）預(yù)埋拉筋調(diào)整為U 形封閉箍筋，沿拱形方向設(shè)通長構(gòu)造縱筋；

（4）拉錨鋼筋下穿貫通縱筋的構(gòu)造，通過連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造保證殼板極端工況下不發(fā)生掉落。

經(jīng)過深化和改進(jìn)，主拱與殼板間的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意見圖2。

圖2 主拱與殼板間的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意圖

4.2 殼板間的節(jié)點(diǎn)

側(cè)面殼板在安裝過程中，殼板自質(zhì)量向下傳遞，為保證殼板面內(nèi)方向傳力的可靠性，殼板端部采用平整的斷面形式，并在安裝過程中設(shè)置柔性墊層，避免出現(xiàn)壓應(yīng)力局部集中。為確保預(yù)制裝配式殼板安裝的可實(shí)施性，連系梁在主拱側(cè)面形成1個(gè)牛腿構(gòu)造。連系梁間距控制在3.5 m 以內(nèi)，控制連系梁區(qū)格內(nèi)的殼板數(shù)量，避免安裝環(huán)節(jié)出現(xiàn)局壓破壞；連系梁凈距按照殼板寬度模數(shù)1.2 m 和0.6 m 控制，并預(yù)留30 mm 的安裝誤差。

頂面殼板在安裝過程中，殼板自質(zhì)量直接傳遞給主拱，殼板間采用SP 預(yù)應(yīng)力空心板特有的帶企口的密拼節(jié)點(diǎn)構(gòu)造（見圖3）。在節(jié)點(diǎn)拼縫下部設(shè)置柔性聚乙烯泡沫棒，確保不發(fā)生砂漿掉落等情況；柔性材料以上采用M20 砂漿灌縫，砂漿上強(qiáng)度后，相鄰SP 預(yù)應(yīng)力空心板通過剪切咬合實(shí)現(xiàn)面外協(xié)調(diào)變形，避免殼板外側(cè)的建筑防水及保溫層在殼板拼接位置出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)破壞。

4.3 次梁與殼板間的節(jié)點(diǎn)

圖3 殼板間的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意圖

SP 預(yù)應(yīng)力空心板屬于典型單向受力板，沒有配置垂直受力方向的分布筋。在多段聲屏障單體中，受中柱定位影響，連系梁存在不規(guī)則斜向布置情況。在設(shè)計(jì)過程中，通過調(diào)節(jié)連系梁頂標(biāo)高和對(duì)應(yīng)主拱頂面標(biāo)高的關(guān)系，確保SP 預(yù)應(yīng)力空心板與次梁不發(fā)生受力接觸，避免出現(xiàn)不規(guī)則支承條件，改變SP 預(yù)應(yīng)力空心板的設(shè)計(jì)受力狀態(tài)。次梁與殼板間的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意見圖4。同時(shí)，為消化SP 預(yù)應(yīng)力空心板的生產(chǎn)及安裝誤差，在指定順軌線次梁上設(shè)置局部后澆帶，便于現(xiàn)場靈活調(diào)節(jié)密拼板布置。

圖4 次梁與殼板間的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意圖

5 施工要點(diǎn)

（1）SP預(yù)應(yīng)力空心板的支承長度不宜小于150 mm，支承位置應(yīng)采取有效措施保證支承面均勻受力，避免局部懸空。在安裝過程中，應(yīng)采取可靠的臨時(shí)固定措施，防止發(fā)生墻板側(cè)翻或掉落。

（2）所有SP 預(yù)應(yīng)力空心板的灌漿工作，應(yīng)在完成吊裝板之后、進(jìn)行其他工序之前實(shí)施。當(dāng)灌縫砂漿（或細(xì)石混凝土）強(qiáng)度小于10 MPa，板面上不得進(jìn)行任何施工。灌縫前應(yīng)采取有效措施保證相鄰板底平整，并進(jìn)行雜物清理和板縫碰水濕潤作業(yè)；灌澆后注意養(yǎng)護(hù)。

（3）在構(gòu)件堆放、運(yùn)輸時(shí)，場地應(yīng)平整壓實(shí)。每垛堆放層數(shù)不宜超過10層，總高度不宜超過2 m，墊木應(yīng)放置于距板端200～300 mm，上下對(duì)齊、墊平墊實(shí)；堆放、運(yùn)輸過程中，嚴(yán)禁翻轉(zhuǎn)空心板。

（4）SP 預(yù)應(yīng)力空心板可切割成任意所需寬度，應(yīng)保證切割后的板中鋼絞線成對(duì)稱布置狀態(tài)，避免因不對(duì)稱受力產(chǎn)生扭曲。

6 主要優(yōu)勢及存在問題

預(yù)制裝配式殼板在混凝土封閉式聲屏障中的應(yīng)用主要有以下優(yōu)勢：

（1）避免混凝土薄殼的大規(guī)模高空雙面支模拆模施工、高空曲面鋼筋綁扎和高空混凝土澆筑振搗施工，有效降低聲屏障主體結(jié)構(gòu)施工難度，解決了雙面支?；炷帘さ幕炷翝仓軐?shí)問題，避免出現(xiàn)混凝土殼板蜂窩面及收縮開裂現(xiàn)象；減少模板、模板支承和鋼筋綁扎的工程量，有效降低人工投入，提高相關(guān)工業(yè)化程度，節(jié)約項(xiàng)目總投資。

（2）有效縮短施工工期。施工組織對(duì)比表明，整體工期縮短近5個(gè)月，將冬季施工影響降至最低；減少既有線防護(hù)棚架設(shè)置周期，顯著降低既有線防護(hù)措施費(fèi)用，提高項(xiàng)目整體效益。

在應(yīng)用過程中，也暴露出一定問題，給后續(xù)項(xiàng)目提出警示：

（1）預(yù)制裝配式殼板對(duì)施工操作要求較高，殼板運(yùn)輸和吊裝施工環(huán)節(jié)易造成預(yù)制板損壞，產(chǎn)生一定比例損耗。

（2）預(yù)制裝配式殼板的安裝對(duì)主體混凝土施工精度有較高要求，主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部跑模或標(biāo)高不準(zhǔn)確時(shí)，易出現(xiàn)預(yù)制板無法安裝或安裝后不平整等情況，后續(xù)處理難度較大。

7 結(jié)束語

通過優(yōu)化單體聲屏障結(jié)構(gòu)斷面形式，并進(jìn)行剛度結(jié)構(gòu)對(duì)比分析，表明在該項(xiàng)目中應(yīng)用預(yù)制裝配式殼板可行。對(duì)不同預(yù)制裝配式殼板進(jìn)行比選，SP 預(yù)應(yīng)力空心板在拱形結(jié)構(gòu)大跨度殼板應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢。在預(yù)制裝配式殼板應(yīng)用中，相關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)屬于關(guān)鍵要點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)具體部位重點(diǎn)解決。預(yù)制裝配式殼板的施工要點(diǎn)和防墜落措施也要重點(diǎn)關(guān)注，必須確保施工安裝結(jié)構(gòu)可靠。在混凝土封閉式聲屏障中應(yīng)用預(yù)制裝配式殼板，能有效降低主體結(jié)構(gòu)的施工難度，避免工期風(fēng)險(xiǎn)，具有較明顯的經(jīng)濟(jì)效益。