一种大跨度轻质地铁疏散平台板及其制作工艺

1.本发明属于装配式技术领域，具体涉及一种大跨度轻质地铁疏散平台板及其制作工艺。


背景技术：

2.地铁疏散平台是地铁区间隧道内设置的突发事件的专用逃生通道，地铁疏散平台一般由平台板和支撑架组成，支撑架锚固在隧道侧壁或铁轨旁，而平台板铺设在两侧的支撑架上。然而由于隧道空间窄小、且有铁轨、管道、电缆等限制，吊装机械设备无法进入隧道内施工，使平台板安装只能通过人力或者轻型机械，进而限制了平台板的重量，如果重量过大，将给施工造成很大的困难。并且，由于平台板两侧为支撑架，在隧道总长一定的前提下，平台板跨度越小，锚固在隧道内支撑架的数量和平台板数量就会越多，进而减缓施工速度，对施工周期造成不利影响。因此，降低平台板重量、增大平台板跨度是解决施工困难、加快施工速度的关键，而这与平台板的承载力和抗变形能力直接相关。但是目前并没有实质性的技术来提高平台板的承载力和抗变形能力，比如预应力无法在板内部施加(由于重量限制导致板厚过小)。另外，由于地铁疏散平台的特殊性，平台板需同时满足力学、防火、耐侵蚀、抗开裂等要求。
3.目前满足承载力和抗变形能力的有四类平台板，钢筋混凝土平台板、超高性能混凝土平台板、金属平台板和有机复合材料平台板。当平台板跨度为1.2m时，四类平台板的重量分别为100kg、75kg、45kg和30kg。然而，超高性能混凝土结构过于致密，发生火灾时会发生爆裂，极易产生危险，且超高性能混凝土价格昂贵；金属平台板抗锈蚀性能差，后期需要高昂的成本来进行抗锈蚀的定期维护，且耐火能力差；有机复合材料平台板价格昂贵，且不耐高温，火灾下平台板会立即失去结构功能。因此，超高性能混凝土、金属和有机复合材料为基体制作的平台板并不能同时满足地铁疏散平台防火、耐腐蚀等相关要求。目前实际工程中应用的是钢筋混凝土平台板，但是钢筋混凝土平台板重量过大，且没有继续增大平台板跨度的潜能，给施工带来了极大的不便。另外，目前工人数量大幅下降，且人工费较高。因此，从工程应用和社会发展角度来看，急需轻质、跨度大，且兼具防火、耐侵蚀、抗开裂、经济性好的新型地铁疏散平台板。


技术实现要素：

4.本发明基于现有地铁疏散平台板因重量大、跨度小而造成施工困难繁琐，且无法兼顾防火、耐腐蚀、抗开裂等相关目标，提供一种大跨度轻质地铁疏散平台板及其制作工艺。通过开发新材料和新结构体系，充分发挥各类材料性能和结构体系的优势，制备出的平台板同时兼顾轻质、跨度大、抗火、耐腐蚀、抗开裂等目标，且水泥等高耗能材料用量少，具有显著的经济效益和广泛的工程适用性。
5.为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
6.一种大跨度轻质地铁疏散平台板，所述平台板包括空心板、钢管体系和预应力筋；
7.所述钢管体系预埋在空心板内，预应力筋在空心板下方，与钢管体系和空心板自成力学平衡体系；
8.所述空心板包括主板、肋脚和肋梁；所述主板包括多个空心结构，其中，钢管体系两侧为梯形空心结构，远离钢管体系的空心结构截面形状为矩形、方形或圆形中的一种；所述主板下端设有肋脚和肋梁，所述肋梁与主板的空心结构垂直，并贯通肋脚上端；
9.所述钢管体系包括钢管主体、肋脚钢筋和锚锭，所述钢管主体由平直钢管和两端的弯起钢管组成，所述肋脚钢筋上端焊接在平直钢管的两侧，且焊接点用玄武岩纤维布通过高强树脂基材料进行粘结；锚锭焊接在弯起钢管的下侧，锚锭由梯度钢管、楔形钢块和高性能树脂基组成；
10.所述肋脚由轻质高强混凝土和肋脚钢筋组成，肋脚钢筋由钢筋和焊接在钢筋下端且具有一定曲率的圆钢管组成；
11.所述预应力筋穿过圆钢管和梯度钢管，施加预应力后由平台板两侧的锚锭进行锚固。
12.一种上述大跨度轻质地铁疏散平台板的制作工艺，所述工艺包括以下步骤：
13.步骤一：将水总量的33％-36％和纳米二氧化硅超声分散均匀，形成纳米二氧化硅溶液，然后将钢纤维放入纳米二氧化硅溶液中继续超声，使钢纤维表面附着纳米二氧化硅，将水泥、漂珠、高效减水剂和剩余水加入搅拌均匀，将橡胶粒和表面附着纳米二氧化硅的钢纤维分三次加入搅拌机中，再将树脂和剩余的纳米二氧化硅溶液倒入搅拌机内搅拌均匀，形成轻质高强混凝土浆体；
14.步骤二：将钢管体系架立在模板中，将轻质高强混凝土浆体倒入模板内，其中浇筑完肋脚后，沿肋梁跨度方向(纤维定向)浇筑肋梁，然后往矩形和梯形充气管模具中加水充气，使充气管模具在浆体中浮力与自身重力平衡，然后把充气管模具两端固定在模板中，再进行主板的浇筑，在浇筑主板时，沿主板跨度方向浇筑(纤维定向)，浇筑完成后45℃养护12
±
0.3小时，然后在主板表面喷水处理，覆盖塑料薄膜，最后60℃养护48
±
1.5小时后拆模、排气、放水；
15.步骤三：将预应力筋穿过肋脚圆钢管和梯度钢管，将梯度钢管处预应力筋劈成两半，将楔形钢块夹在其中，对预应力筋施加预应力，将石英砂和高流动性树脂基混合搅拌均匀，然后灌入梯度钢管中，30℃固化12
±
0.1小时，然后60℃固化48
±
0.8小时后拆掉预应力装置，平台板制作完成。
16.本发明相对于现有技术的有益效果为：
17.(1)轻质，便于施工。平台板的破坏形式主要为弯拉破坏，减小挠度和板底拉应力对于轻质化至关重要。本发明主要通过三项技术实现轻质化。第一，由于地铁疏散平台的施工空间限制了平台板的重量，进而限制了平台板的厚度，导致无法按照现有技术将预应力施加在平台板内部。本发明创造性的将预应力筋布置在平台板外侧，通过钢管体系、肋脚和肋梁进行传力，使主板起拱，且肋梁的设计充分保证了沿板宽方向应力的均匀性，进而使整个主板底部受压不受拉，充分发挥混凝土材料抗压强度高的优势，极大的提高了平台板的承载和抗变形能力。第二，由于平台板受力的特殊性，经有限元计算分析，在相同重量的前提下，矩形空心结构结合圆形钢管形式可最大程度地提高平台板的承载力和抗变形能力，而钢管两侧的梯形空心设计是基于防止钢管起拱后对平台板的冲剪破坏而设计的，因此，
本发明提出并优化了空心结构和钢管结构的截面形状。第三，本发明开发的轻质高强混凝土基体材料通过提高纤维和基体之间的界面强度、纤维定向、引入致密化材料和轻质材料、创新制作工艺等手段实现了混凝土轻质高强的目标，进而实现了在平台板轻质的前提下具有足够的承载力。综上所述，预应力、矩形空心结构结合圆形钢管形式和轻质高强混凝土基体材料的结合，从力学、结构和材料三方面共同减小了平台板的质量。
18.(2)跨度大，施工速度快、周期短。在隧道长度一定的前提下，平台板跨度越大，平台板数量和支撑架数量越少，支撑架和平台板施工安装的速度便越快。因此，增大平台板跨度是实现施工快速的前提。经力学分析，平台板的跨度主要受变形的控制。本发明通过三个途径降低了平台板的最大挠度。第一，平台板基体材料采用本发明研发的轻质高强混凝土，较大的弹性模量提高了平台板的刚度；第二，在相同重量的前提下，本发明的空心结构可最大程度的提高平台板的承载力和刚度，进而减小了平台板的最大挠度；第三，预应力自平衡设计抵消了部分外荷载，减小了引起平台板变形的荷载值。
19.(3)抗火和耐侵蚀能力强。预应力筋外露需考虑预应力筋的抗火和抗侵蚀能力，高强钢绞线暴露在火灾中极易失去力学功能，且暴露在空气中需定期防锈维护，不适合作为外露预应力筋。而玄武岩纤维筋抗高温和耐腐蚀能力强，可实现火灾下力学性能不退化、抗锈蚀的目标，无需定期维护。
20.(4)抗开裂。基于施工磕碰、温度应力、收缩应力、施加预应力后主板起拱等因素可能会产生平台板基体开裂现象，进而影响承载力和耐久性。本发明通过2项技术来解决开裂问题。第一，基体材料中掺加弓形镀铜钢纤维和橡胶粒。经冲击、变形试验研究发现，弓形镀铜钢纤维和橡胶粒可明显增强基体的抗开裂能力；第二，预应力将平台板紧固为整体，施加预应力后平台板的抗开裂能力会显著提高。
21.(5)解决了因局部压力、局部剪力过大而造成局部破坏的问题。对于空心结构，当局部压力和剪力过大时，极易出现局部压碎和局部剪切破坏等问题，本发明在设计时，对此进行了创新性综合设计。第一，肋脚、钢管系统和肋梁是基于传力明确、防止局部应力过大而设计的，当施加预应力后，肋脚对主板的压力较大，为防止冲剪造成主板局部破坏，刚度更大的钢管系统将应力进行均匀分布，再加上肋脚下窄上宽、肋梁贯通肋脚上端，使预应力筋对主板的压力作用面面积较大，进一步避免了局部压力过大的可能；第二，本发明研制的轻质高强混凝土材料抗压强度121.7mpa，抗折强度34.3mpa，可保证有足够抵抗破坏的能力；第三，本发明预应力筋的锚固方式采用树脂胶结锚固，应力约束方向为沿预应力筋方向，改变了传统锚固方法因应力约束方向垂直于预应力筋而导致预应力筋局剪破坏的弊端；第四，由于平台板所有类型的荷载最终传递到两侧的支撑架，因此与支撑架接触的平台板部位承受巨大的剪力荷载，而本发明钢管体系的圆形弯起钢管的轴线方向与剪力方向垂直，且钢管的抗剪能力远大于混凝土，因此，可明显提高与支撑架接触部位的平台板的抗剪能力。第五，矩形和梯形空心截面的相邻两边平滑连接、肋脚钢筋和钢管主体的焊接点粘结有玄武岩纤维布、圆钢管的曲率大小与预应力筋在该点的曲率大小一致，这些设计防止出现应力集中现象。
22.(6)跨度、重量可调节。本发明平台板的跨度和质量可根据工程环境、施工条件、工程造价等因素进行跨度和重量的调整。调整方法主要有四种：第一，预应力筋和肋脚的数量、排数，以及预应力的大小；第二，钢管主体的钢管直径和壁厚；第三，空心板的厚度和空
心截面面积；第四，轻质高强混凝土材料的掺量和制作工艺的调整。
23.(7)解决空心结构上下弯曲问题，且减少制作空心结构的模具种类。薄壁构件为达到足够的密实度，要求基体流动性强，而高流动性基体会对制作空心结构的模具产生较大的浮力，当模具两端固定时，模具中部因浮力大于重力使模具上弯(或者浮力小于重力使模具下弯)，进而造成空心结构上下弯曲的问题，影响受力。本发明采用充气管来作为制作空心结构的模具，通过调整充气管内的水和气的比例，使模具在浆体中的浮力和重力相平衡，解决了因浮力和重力不平衡问题导致模具上下弯曲的问题。另外，该制作工艺简单易调，可满足多种不同流动度的基体条件，节省了模具种类。
附图说明
24.图1为地铁疏散平台板立体图；
25.图2为地铁疏散平台板构造粗标图；
26.图3为地铁疏散平台板构造细标图；
27.图4为钢管体系立体示意图；
28.图5为地铁疏散平台板截面划分示意图；
29.图6为地铁疏散平台板横截面1示意图；
30.图7为地铁疏散平台板横截面2示意图；
31.图8为地铁疏散平台板横截面3示意图；
32.图9为锚锭示意图；
33.图10为空心截面示意图。
具体实施方式
34.下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。
35.具体实施方式一：本实施方式记载的是一种大跨度轻质地铁疏散平台板，所述平台板包括空心板1、钢管体系2和预应力筋3；
36.所述钢管体系2预埋在空心板1内，预应力筋3在空心板1下方，与钢管体系2和空心板1自成力学平衡体系；
37.所述空心板1包括主板4、肋脚5和肋梁6；所述主板4包括多个空心结构，其中，钢管体系2两侧为梯形空心结构，远离钢管体系2的空心结构截面形状为矩形、方形或圆形中的一种；所述主板4下端设有肋脚5和肋梁6，所述肋梁6与主板4的空心结构垂直，并贯通肋脚5上端；
38.所述钢管体系2包括钢管主体12、肋脚钢筋9和锚锭13，所述钢管主体12由平直钢管14和两端的弯起钢管15组成，所述肋脚钢筋9上端焊接在平直钢管14的两侧，且焊接点用玄武岩纤维布16通过高强树脂基材料进行粘结；锚锭13焊接在弯起钢管15的下侧，锚锭13由梯度钢管17、楔形钢块18和高性能树脂基19组成；
39.所述肋脚5由轻质高强混凝土和肋脚钢筋9组成，肋脚钢筋9由钢筋10和焊接在钢筋10下端且具有一定曲率的圆钢管11组成；
40.所述预应力筋3穿过圆钢管11和梯度钢管17，施加预应力后由平台板两侧的锚锭13进行锚固。
41.本发明对于钢管体系2、预应力筋3、肋脚5、肋梁6、空心结构的数量不做限定，本领域技术人员可根据实际需求进行适当的调节。
42.具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种大跨度轻质地铁疏散平台板，所述钢管主体12的截面形状为圆形、方形或矩形中的一种。矩形空心结构与圆形钢管主体相配合时，效果最优。
43.具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种大跨度轻质地铁疏散平台板，所述矩形和梯形空心结构的截面拐角处相邻两边平滑连接。
44.具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种大跨度轻质地铁疏散平台板，所述圆钢管11具有一定的曲率，且曲率大小与施加预应力后预应力筋3在该点的曲率大小一致。
45.具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种大跨度轻质地铁疏散平台板，所述预应力筋3由玄武岩纤维通过纤维编织技术而成。
46.具体实施方式六：具体实施方式一或五所述的一种大跨度轻质地铁疏散平台板，对预应力筋进行锚固的具体细节为：所述预应力筋3从圆钢管11、梯度钢管17中穿过，将梯度钢管17中的预应力筋3劈成两半，将楔形钢块18夹在其中，对预应力筋3施加预应力，将石英砂和高流动性树脂基混合搅拌均匀，形成高性能树脂基19，然后灌入梯度钢管17中，30℃固化12小时，然后60℃固化48小时后拆掉预应力装置。
47.具体实施方式七：具体实施方式一所述的一种大跨度轻质地铁疏散平台板，所述空心板1的基体材料为轻质高强混凝土由水216kg/m3、纳米二氧化硅0.8kg/m3、钢纤维78kg/m3、水泥862kg/m3、高效减水剂12kg/m3、橡胶粒160-180kg/m3、漂珠251-259kg/m3、树脂148-161kg/m3组成。
48.具体实施方式八：具体实施方式七所述的一种大跨度轻质地铁疏散平台板，所述漂珠指粉煤灰漂珠，要求漂浮率大于95％；钢纤维为弓形镀铜钢纤维，且直径为0.19-0.21mm，在浇筑肋梁时，要求钢纤维沿肋梁跨度方向定向分布，在浇筑主板时，要求钢纤维沿主板跨度方向定向分布，且所有定向分布的钢纤维的定向角度控制在(-7
°
，7
°
)区间内；橡胶粒的最大粒径为1.16mm，高效减水剂要求减水率大于35％；树脂要求高流动性的高性能树脂。
49.具体实施方式九：一种具体实施方式一至八任一项所述大跨度轻质地铁疏散平台板的制作工艺，所述工艺包括以下步骤：
50.步骤一：将水总量的33％-36％和纳米二氧化硅放入烧杯中搅拌均匀，然后放入超声波分散仪内分散5.5-6.4分钟，形成纳米二氧化硅溶液，然后将钢纤维放入纳米二氧化硅溶液中继续超声6.4-7.2分钟，使钢纤维表面附着纳米二氧化硅，将水泥、漂珠、高效减水剂和剩余水加入搅拌机中搅拌5
±
0.4分钟，在接下来的5分钟内将橡胶粒和表面附着纳米二氧化硅的钢纤维分三次加入搅拌机中，再将树脂和烧杯中剩余的纳米二氧化硅溶液倒入搅拌机内搅拌3
±
0.1分钟，形成轻质高强混凝土浆体；
51.步骤二：将钢管体系2架立在模板中，将轻质高强混凝土浆体倒入模板内，其中浇筑完肋脚5后，沿肋梁6跨度方向(纤维定向)浇筑肋梁6，然后往矩形和梯形充气管模具中加水充气，使充气管模具在浆体中浮力与自身重力平衡，然后把充气管模具两端固定在模板
中，再进行主板4的浇筑，在浇筑主板4时，沿主板4跨度方向浇筑(纤维定向)，浇筑完成后45℃养护12
±
0.3小时，然后在主板4表面喷水处理，覆盖塑料薄膜，最后60℃养护48
±
1.5小时后拆模、排气、放水；制作的轻质高强混凝土的抗压强度为121.7mpa，抗折强度为34.3mpa，弹性模量为46.2gpa，表观密度为1757kg/m3；
52.步骤三：将预应力筋3穿过肋脚圆钢管11和梯度钢管17，将梯度钢管17处预应力筋3劈成两半，将楔形钢块18夹在其中，对预应力筋3施加预应力，将石英砂和高流动性树脂基混合搅拌均匀，然后灌入梯度钢管17中，30℃固化12
±
0.1小时，然后60℃固化48
±
0.8小时后拆掉预应力装置，平台板制作完成。
53.实施例1：
54.布置预应力筋和肋脚为2排，每排1根预应力筋、1个肋脚(共2根预应力筋、2个肋脚)，主板长度
×
宽度
×
厚度为1200mm
×
80mm
×
36mm、上下翼缘厚度均为9mm、中间肋条宽度为8mm，钢管主体外径20mm、壁厚8mm，平台板制作完成后，主板起拱高度为3mm。上下翼缘厚度指矩形和梯形空心结构上下板的厚度。
55.经试验和计算后，普通混凝土、超高性能混凝土和本发明轻质高强混凝土三类材料制作的平台板质量如下所示：
56.平台板基体材料类型普通混凝土超高性能混凝土本发明混凝土材料平台板质量/kg58.3-64.143.5-48.133.2-36.7
57.在保证具有足够的防火、耐侵蚀、抗开裂等要求的前提下，当跨度为1.2米时，相对于现有钢筋混凝土平台板(100kg)，本发明可将平台板质量控制在36.7kg以下，减重幅度非常明显。另外，相对于普通混凝土和超高性能混凝土材料，基体采用本发明的混凝土材料可进一步实现轻质化。
58.实施例2：
59.布置预应力筋和肋脚为2排，每排1根预应力筋、3个肋脚(共2根预应力筋，6个肋脚)，主板长度
×
宽度
×
厚度为1600mm
×
80mm
×
40mm、上下翼缘厚度均为12mm、中间肋条宽度为10mm，钢管主体外径25mm、壁厚10mm，平台板制作完成后，主板起拱高度为4.5mm。
60.经试验和计算后，平台板质量在48.7kg-53.1kg区间。
61.在保证具有足够的防火、耐侵蚀、抗开裂等要求的前提下，当跨度为1.6米时，本发明可将平台板质量控制在50kg左右，相对于现有平台板，实现了减重和增跨的双重目标。
62.实施例3：
63.布置预应力筋和肋脚为3排，每排1根预应力筋、3个肋脚(共3根预应力筋，9个肋脚)，主板长度
×
宽度
×
厚度为2100mm
×
80mm
×
50mm、上下翼缘厚度均为15mm、中间肋条宽度为11mm，钢管主体外径32mm、壁厚11mm，平台板制作完成后，主板起拱高度为6.4mm。
64.经试验和计算后，平台板质量在78.4kg-83.2kg区间。
65.在保证具有足够的防火、耐侵蚀、抗开裂等要求的前提下，当跨度为2.1米时，本发明可将平台板质量控制在80kg左右，相对于现有平台板，实现了大幅增加跨度的目标。
66.实施例4：
67.现有平台板多为实心平台板，实施例4比较了不同截面空心结构的空心板、不同钢管形状的钢管平台板与市场上的实心板的承载力和抗变形能力，结果发现，空心平台板中矩形截面优势最大、钢管平台板中圆形钢管优势最大，且相比较实心板，空心平台板和钢管
平台板的承载力和抗变形能力都有明显的优势。具体如下：
68.(1)在平台板中采用钢管形式时，在基体和钢管重量相同时，发现圆形钢管的承载力和抗变形能力最强，其次是方形钢管，矩形钢管最弱。相比实心板，三种钢管平台板的承载力和抗变形能力有明显的增强。
69.平台板类型圆形钢管平台板方形钢管平台板矩形钢管平台板实心平台板质量(基体 钢管)/kg30 2030 2030 2050 0荷载/(n/m3)15312.515312.515312.515312.5最大应力(基体 钢管)/mpa8.74 33.215.3 39.716.1 41.237.98 0最大挠度/mm1.782.492.7117.51
70.(2)在平台板基体中采用空心形式时，在基体重量相同时，发现矩形空心板的承载力和抗变形能力最强，其次是方形空心板，圆形空心板最弱。相比实心板，三种空心平台板的承载力和抗变形能力有明显的增强。另外，在平台板重量相同的情况下，空心结构比钢管结构的承载力和抗变形能力更有优势。
71.平台板类型圆形空心板矩形空心板方形空心板实心平台板质量/kg50505050荷载/(n/m3)15312.515312.515312.515312.5最大应力/mpa8.17.27.737.98最大挠度/mm1.621.531.5917.51