裝配式地鐵車站二次結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)性能研究

裴行凱，麥家兒，何冠鴻，郭佳奇

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州510010）

0 引言

在建筑工程開發(fā)過程中，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、節(jié)能化的工程建設(shè)，裝配式建筑應(yīng)運(yùn)而生。采用預(yù)制裝配式技術(shù)修建地鐵車站，具有節(jié)能環(huán)保、綠色施工的優(yōu)點(diǎn)，將成為未來地下結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢［1］。裝配式建筑的迅速發(fā)展，對(duì)設(shè)計(jì)及施工工藝提出了更高要求，特別是對(duì)一、二次結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接精度、可靠性及施工方便性的要求更為嚴(yán)格。

地下連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件（底板、樓板、墻、梁、柱等）相連的接頭為結(jié)構(gòu)接頭［2］。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中該接頭一般按固接考慮，因此該節(jié)點(diǎn)連接的可靠性非常重要，必須保證其滿足抗彎、抗剪等設(shè)計(jì)要求［3］。目前，對(duì)于存在一、二次結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的建筑結(jié)構(gòu)工程，傳統(tǒng)的一、二次結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接是通過在一次結(jié)構(gòu)構(gòu)件中預(yù)留鋼筋接駁器及錨筋，利用該預(yù)留接駁器與二次結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鋼筋進(jìn)行連接。這種方式對(duì)預(yù)埋鋼筋接駁器的定位精確度及固定方式有極為嚴(yán)格的要求，否則二次結(jié)構(gòu)鋼筋無法通過預(yù)留接駁器進(jìn)行連接。這也使得墻和板的連接區(qū)域成為工程薄弱部位之一［4-6］。

在實(shí)際施工中，由于建筑施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，尤其是地下結(jié)構(gòu)工程，預(yù)留接駁器定位精確度受沉降、變形等施工因素影響大，待二次結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接施工時(shí)，往往出現(xiàn)預(yù)留接駁器位置精度由于沉降或變形而出現(xiàn)較大偏差［7］。當(dāng)偏差大時(shí)預(yù)留接駁器與二次構(gòu)件鋼筋無法完成精準(zhǔn)連接而造成預(yù)留接駁器無法使用的情況，并且當(dāng)預(yù)留接駁器數(shù)量和規(guī)格確定后，二次構(gòu)件的鋼筋配置將無法調(diào)整。目前通常采用重新引孔、植筋的辦法來補(bǔ)救，該方法費(fèi)用高且進(jìn)度緩慢，常因?yàn)榕c結(jié)構(gòu)鋼筋沖突造成引孔困難、孔深達(dá)不到設(shè)計(jì)要求等次生問題出現(xiàn)［8］，并且大量植筋對(duì)混凝土本身也有一定破壞性［9-10］。

基于上述問題，本文以廣州某裝配式地鐵車站項(xiàng)目為背景，采用鋼板焊接及鋼筋接駁器套筒連接的方式，對(duì)裝配式地鐵車站二次結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。并通過建立連接節(jié)點(diǎn)的有限元方法，分析了兩種不同連接方式（接駁器連接及鋼板連接）受力性能的差異，以及預(yù)埋鋼板位置偏差對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力的影響，為裝配式地鐵車站一、二次結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接方式提供了可靠的技術(shù)路線，為裝配式地鐵車站的未來發(fā)展提供了力學(xué)支撐。

1 工程概況

廣州某地鐵車站屬于地下3 層島式站臺(tái)車站。車站長221.7 m，寬22.30～26.20 m，深24.48～25.27 m，主體建筑面積15 234.21 m2。車站共設(shè)4 個(gè)出入口、2 組風(fēng)亭。

車站采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，三維結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。車站采用裝配式單一墻結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻兼做永久結(jié)構(gòu)側(cè)墻，冠梁、腰梁、混凝土支撐兼做永久結(jié)構(gòu)縱、橫梁。此外，車站的底板、連續(xù)墻、車站縱梁采用現(xiàn)澆施工，支撐橫梁、中板、內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制拼裝的方式，橫向永久支撐標(biāo)準(zhǔn)段采用預(yù)制，后與混凝土腰梁和縱梁采用現(xiàn)澆連接。頂板采用預(yù)制拼裝與現(xiàn)澆相組合的方式，車站內(nèi)部分管線擬在頂板橫梁所開的孔洞中通過。由于將水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件與支護(hù)結(jié)構(gòu)向結(jié)合，不需要對(duì)支撐進(jìn)行拆除，避免了臨時(shí)支護(hù)的浪費(fèi)，綠色、經(jīng)濟(jì)、高效。

圖1 裝配式車站三維結(jié)構(gòu)模型Fig.1 3D Structure Model of Prefabricated Metro Station

2 計(jì)算模型與參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

取第2 道支撐處的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元計(jì)算，混凝土及鋼筋網(wǎng)格如圖2 所示。模型中支撐長1.5 m（自支撐與腰梁連接面算起），地連墻高度及縱向長度的組合為4.0 m×4.5 m。

模型邊界條件為：底部約束X 及Z 向位移，頂部約束X 向位移，地連墻縱向約束Y 向位移，地連墻的迎土面設(shè)置僅受壓彈簧，Kh=23×103×0.1×0.1=230 kN/m。

圖2 支撐與腰梁、連續(xù)墻連接節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算模型Fig.2 Finite Element Calculation Model of Connection Joint between Support and Waist Beam and Continuous Wall

模型加載條件為：①模型自重；②懸臂端施加位移邊界條件，位移幅值根據(jù)收斂性的要求進(jìn)行調(diào)整。

支撐與腰梁、連續(xù)墻連接節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型邊界及加載條件如圖3 所示。

圖3 支撐與腰梁、連續(xù)墻連接節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型邊界及加載條件Fig.3 Boundary and Loading Conditions of the Calculation Model of Connection Joint between Support and Waist Beam and Continuous Wall

2.2 材料及界面本構(gòu)

混凝土采用規(guī)范本構(gòu)，定義拉壓損傷，鋼筋采用雙折線本構(gòu)，施工冷縫界面定義參考相關(guān)文獻(xiàn)。圖4、圖5 分別為混凝土、鋼筋單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖6 為施工冷縫切向及法向應(yīng)力與滑移曲線。其中τu=3 mm，Su=40 mm。

圖4 混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Uniaxial Stress-strain Curve of Concrete

3 支撐與腰梁、連續(xù)墻不同連接方式對(duì)比

3.1 接駁器連接與鋼板連接對(duì)比-應(yīng)力、應(yīng)變曲線

圖5 鋼筋單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Uniaxial Stress-strain Curve of Reinforcement

圖6 施工冷縫界面切向及法向應(yīng)力-滑移曲線Fig.6 Tangential and Normal Stress-slip Curves of Construction Cold Joint Interface

對(duì)比兩種不同的連接方式（接駁器連接及鋼板連接）受力性能差異，圖7、圖8 為兩種連接方式對(duì)比結(jié)果。

圖7 單調(diào)加載節(jié)點(diǎn)懸臂端剪力-位移曲線Fig.7 Shear-displacement Curve of Cantilever end of Joint under Monotonic Loading

圖8 單調(diào)加載連續(xù)墻與腰梁界面彎矩-位移曲線Fig.8 Moment-displacement Curve of Interface between Continuous Wall and Waist Beam under Monotonic Loading

正常使用階段（對(duì)應(yīng)連續(xù)墻與腰梁界面彎矩為2 000 kN·m），接駁器連接、鋼板連接（未加腋）、鋼板連接（加腋）、鋼板連接（上移70 mm）、鋼板連接（下移70 mm）對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)豎向位移分別為4.4 mm、4.2 mm、4.2 mm、4.1 mm、4.1 mm。

圖9、圖10 為單調(diào)加載條件下，兩種連接方式下連續(xù)墻與腰梁界面的鋼筋及混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線，其中實(shí)線數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)右側(cè)坐標(biāo)軸。

鋼板連接較之接駁器連接能顯著降低連續(xù)墻與腰梁截面鋼筋應(yīng)力，而混凝土應(yīng)力無明顯區(qū)別。鋼板連接加腋與未加腋區(qū)別不大。

圖9 連續(xù)墻與腰梁界面鋼筋及混凝土應(yīng)力-位移曲線Fig.9 Stress-displacement Curves of Reinforcement and Concrete at the Interface between Continuous Wall and Waist Beam

圖10 連續(xù)墻與腰梁界面鋼筋及混凝土應(yīng)變-位移曲線Fig.10 Strain-displacement Curves of Reinforcement and Concrete at the Interface between Continuous Wall and Waist Beam

圖11、圖12 為單調(diào)加載條件下，兩種連接方式下腰梁與支撐界面的鋼筋及混凝土的應(yīng)力與應(yīng)變曲線，其中實(shí)線數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)右側(cè)坐標(biāo)軸。

圖11 腰梁與支撐界面鋼筋及混凝土應(yīng)力-位移曲線Fig.11 Stress-displacement Curves of Reinforcement and Concrete at the Interface between Support and Waist Beam

頂部鋼板連接與接駁器連接在連續(xù)墻與腰梁截面鋼筋與混凝土應(yīng)力方面差別不大。鋼板連接加腋與未加腋區(qū)別不大。

圖12 腰梁與支撐界面鋼筋及混凝土應(yīng)變-位移曲線Fig.12 Strain-displacement Curves of Reinforcement and Concrete at the Interface between Support and Waist Beam

底部鋼板連接與接駁器連接在連續(xù)墻與腰梁截面混凝土應(yīng)力方面差別不大，而鋼筋應(yīng)力無明顯區(qū)別。鋼板連接加腋與未加腋區(qū)別不大。

將單調(diào)加載條件下不同連接情況節(jié)點(diǎn)極限位移、剪力及彎矩匯總?cè)绫? 所示。

表1 為正常使用階段（對(duì)應(yīng)連續(xù)墻與腰梁界面彎矩為2 000 kN·m），鋼筋、混凝土應(yīng)以及應(yīng)變。材料定義中鋼筋屈服應(yīng)變?yōu)?.002，極限應(yīng)變?yōu)?.252，混凝土受拉峰值應(yīng)變?yōu)?.000 088，混凝土受壓峰值應(yīng)變?yōu)?.002。

由表2 可知，在正常使用階段，腰梁與連續(xù)墻采用接駁器連接，此時(shí)腰梁與支撐界面受拉鋼筋應(yīng)力小于加鋼板，加腋與否對(duì)鋼筋及混凝土應(yīng)力影響較小。

表2 正常使用階段鋼筋、混凝土應(yīng)力及應(yīng)變Tab.2 Stress and Strain of Reinforcement and Concrete in the Normal Use Stage

3.2 鋼板位置偏差影響-應(yīng)力

圖13 為正常使用階段對(duì)應(yīng)的錨筋應(yīng)力、豎向鋼板、水平鋼板應(yīng)力。圖14 為加載全過程中錨筋、豎向鋼板、水平鋼板最大應(yīng)力。

根據(jù)圖14 分析，正常使用階段（對(duì)應(yīng)連續(xù)墻與腰梁界面彎矩為2 000 kN·m），在鋼板方案中，未加腋、加腋及加腋后豎向鋼板上移70 mm 三種情況下錨筋的應(yīng)力值相近，而豎向鋼板下移70 mm 使得錨筋應(yīng)力較大。加腋后豎向鋼板應(yīng)力均降低，水平鋼板除豎向鋼板下移70 mm 情況外應(yīng)力均降低。除此之外，豎向鋼板下移將使得鋼板最大主應(yīng)力由豎向鋼板轉(zhuǎn)移至水平鋼板。

3.3 計(jì)算結(jié)果比選相比于接駁方式，所體現(xiàn)的優(yōu)勢

對(duì)比加腋前后的錨筋、豎向鋼板及水平鋼板，認(rèn)為加腋能夠在一定程度上減小應(yīng)力值，加腋后豎向鋼板上移對(duì)錨筋影響較小，有利于豎向鋼板及水平鋼板。加腋后豎向鋼板下移不利于錨筋、水平鋼板，有利于豎向鋼板，但加腋效果較小。

正常使用階段（連續(xù)墻與腰梁界面彎矩為2 000 kN·m）加密區(qū)3 m 范圍內(nèi)接駁器方案與鋼板方案在腰梁與連續(xù)墻連接處頂部的合力：接駁器連接為2 887 kN，鋼板連接（未加腋）為2 129 kN，鋼板連接（加腋）為2 014 kN，鋼板連接（上移70 mm）為1 791 kN，鋼板連接（下移70 mm）為3 408 kN。

圖13 正常使用階段錨筋應(yīng)力、豎向鋼板、水平鋼板應(yīng)力Fig.13 Stress of Anchor Bar，Vertical Steel Plate and Horizontal Steel Plate in the Normal Use Stage（Pa）

由此可知，采用鋼板連接方案較之接駁器連接方案能降低加密區(qū)3 m 范圍內(nèi)腰梁與連續(xù)墻連接處頂部的合力，具有一定的優(yōu)勢。

綜上所述：①鋼板連接施工誤差兼容高，節(jié)點(diǎn)受力性能優(yōu)于接駁器連接。②鋼板連接加腋僅能在較小程度上優(yōu)化節(jié)點(diǎn)受力。

圖14 加載過程中錨筋、豎向鋼板、水平鋼板最大應(yīng)力Fig.14 Maximum Stress of Anchor Bar，Vertical Steel Plate and Horizontal Steel Plate during Loading （Pa）

4 優(yōu)化后的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)方案

優(yōu)化后的二次結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼筋連接節(jié)點(diǎn)，包括預(yù)埋鋼板、預(yù)埋錨筋、二次結(jié)構(gòu)連接鋼板，二次結(jié)構(gòu)鋼筋等構(gòu)件，如圖15 所示。其中預(yù)埋錨筋和預(yù)埋鋼板設(shè)置在一次結(jié)構(gòu)構(gòu)件即地下連續(xù)墻內(nèi)，預(yù)埋鋼板設(shè)置在一次結(jié)構(gòu)構(gòu)件和二次結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)位置。二次結(jié)構(gòu)鋼筋和二次結(jié)構(gòu)連接鋼板設(shè)置在二次結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)，二次結(jié)構(gòu)連接鋼板為后焊鋼板，表面設(shè)有槽位，二次結(jié)構(gòu)鋼筋水平焊接在槽位內(nèi)，二次結(jié)構(gòu)鋼筋在二次結(jié)構(gòu)連接鋼板表面分布，二次結(jié)構(gòu)鋼筋有至少兩種長度規(guī)格，不同長度規(guī)格的二次結(jié)構(gòu)鋼筋交錯(cuò)分布，兩者通過焊接連接。預(yù)埋鋼板的一端面與預(yù)埋錨筋通過焊接連接，預(yù)埋鋼板的另一端面與二次結(jié)構(gòu)連接鋼板垂直焊接連接，且在預(yù)埋鋼板與二次結(jié)構(gòu)連接鋼板的連接處設(shè)置有加強(qiáng)肋。

圖15 優(yōu)化后二次結(jié)構(gòu)鋼板連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造Fig.15 Optimized Steel Plate Connection Structure of Secondary Structure

采用上述技術(shù)方案，能夠克服現(xiàn)有接駁鋼筋連接的不足。優(yōu)于二次結(jié)構(gòu)連接鋼板垂直焊接在預(yù)埋鋼板表面，一、二次構(gòu)件豎向誤差能通過將鋼筋上下焊接在不同槽位來彌補(bǔ)，施工誤差兼容高，可有效解決預(yù)留接駁器受施工因素影響大的問題，連接精準(zhǔn)度高、操作方便、靈活性更強(qiáng)。

4.2 應(yīng)用效果分析

本連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于該地鐵車站支撐與腰梁、連續(xù)墻的連接處理中。在實(shí)際施工中（見圖16），預(yù)埋鋼板豎直放置，預(yù)埋鋼板一端面與預(yù)埋錨筋焊接后在地下連續(xù)墻和水平受力構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)位置精確定位，并將焊接后的預(yù)埋鋼板和預(yù)埋錨筋與地下連續(xù)墻的鋼筋整體綁扎，澆筑混凝土。在進(jìn)行水平受力構(gòu)件連接時(shí)，需要在連接節(jié)點(diǎn)位置鑿出預(yù)埋鋼板，并清理鋼板表面。二次結(jié)構(gòu)連接鋼板水平放置，表面開有可放置二次結(jié)構(gòu)鋼筋的槽位，水平受力構(gòu)件的二次結(jié)構(gòu)鋼筋水平放置到槽位內(nèi)進(jìn)行焊接，二次結(jié)構(gòu)鋼筋在二次結(jié)構(gòu)連接鋼板表面分布，并且因二次結(jié)構(gòu)鋼筋需要跟二次結(jié)構(gòu)構(gòu)件其他鋼筋連接，不能超過50%的鋼筋連接位置在同一個(gè)斷面，需要間隔一定距離，因此二次結(jié)構(gòu)鋼筋采用至少兩種長度規(guī)格。本項(xiàng)目采用兩種長度規(guī)格，兩種長度規(guī)格的二次結(jié)構(gòu)鋼筋交錯(cuò)分布在二次結(jié)構(gòu)連接鋼板上。預(yù)埋鋼板另一端面和連接鋼板通過焊接連接，在預(yù)埋鋼板和二次結(jié)構(gòu)連接鋼板連接處設(shè)置加強(qiáng)肋，加強(qiáng)焊接鋼板之間的強(qiáng)度和剛性。最后完成水平受力構(gòu)件鋼筋的綁扎，澆筑混凝土，完成地下連續(xù)墻和水平受力構(gòu)件的連接。

圖16 二次結(jié)構(gòu)鋼板連接節(jié)點(diǎn)施工現(xiàn)場Fig.16 Construction Site of Steel Plate Connection Structure of Secondary Structure

5 結(jié)論與展望

本文以廣州某裝配式地鐵車站項(xiàng)目為背景，采用鋼板焊接及鋼筋接駁器套筒連接的方式，對(duì)裝配式地鐵車站二次結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。并通過建立連續(xù)墻-腰梁-支撐連接節(jié)點(diǎn)的有限元模型，計(jì)算分析了兩種不同連接方式（接駁器連接及鋼板連接）受力性能的差異，以及預(yù)埋鋼板位置偏差對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力的影響，得到以下結(jié)論：

⑴優(yōu)化后的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)能顯著提高預(yù)留鋼板的可利用率，施工誤差兼容性高，可有效解決預(yù)留接駁器受施工因素影響大的問題。

⑵與傳統(tǒng)鋼筋連接方式相比，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)采用鋼板連接方式能明顯提高節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度，其受力性能優(yōu)于接駁器連接，能取得較大工程效益。

⑶鋼板連接加腋僅能在較小程度上優(yōu)化節(jié)點(diǎn)受力。