地鐵車站裝配式蒸壓加氣混凝土墻板受彎性能

蘇立勇, 羅 平, 路清泉, 張志偉, 周 軼

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068；2.城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室，北京 100068)

發(fā)展裝配式建筑對提高施工效率和質(zhì)量、減少建筑垃圾以及實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略等方面具有重要意義[1-2]，中外專家學(xué)者對裝配式結(jié)構(gòu)展開了系統(tǒng)全面的研究[3-6]。裝配式技術(shù)運用于地鐵車站建設(shè)能夠縮短工期、提高施工效率以及減少對城市地面交通的影響[7]，但中國裝配式車站的研究與應(yīng)用尚處于起步階段。杜修力等[8-9]針對裝配式車站側(cè)墻底節(jié)點及梁板柱中節(jié)點，展開了其抗震性能研究，結(jié)果表明：裝配式節(jié)點抗震性能與現(xiàn)澆節(jié)點基本相當(dāng)。李兆平等[10-11]采用試驗與數(shù)值模擬方法研究了單榫槽式接頭的力學(xué)性能，為預(yù)制裝配式地鐵車站接頭設(shè)計提供了依據(jù)。丁鵬等[12]利用數(shù)值仿真方法研究了裝配式地鐵車站單環(huán)結(jié)構(gòu)傳力與變形機理，為設(shè)計和施工提供了支撐。目前中國已完成的首例地鐵裝配式車站為長春地鐵二號線袁家店站，車站框架外墻主體由87環(huán)、609塊預(yù)制構(gòu)件拼裝而成，橫向由87環(huán)拼裝而成，工程效果良好。但以上裝配式地鐵車站的研究及工程均為裝配式主體結(jié)構(gòu)，對于地鐵車站二次結(jié)構(gòu)的裝配式研究，尚十分少見。

北京地鐵19號線新發(fā)地站已完成主體結(jié)構(gòu)施工，如圖1所示，現(xiàn)階段正在進行車站的站臺板，隔墻，風(fēng)道以及樓梯等二次結(jié)構(gòu)裝配式設(shè)計與研究。針對新發(fā)地站蒸壓加氣混凝土隔墻，基于已完成的試驗研究[13]，進行有限元建模，分析了不同連接節(jié)點類型、混凝土強度、連接節(jié)點構(gòu)造措施、高厚比以及配筋率等設(shè)計參數(shù)對裝配式蒸壓加氣混凝土墻板受彎性能的影響，并提出優(yōu)化設(shè)計建議，為工程設(shè)計提供支撐。

圖1 北京地鐵19號線新發(fā)地站

1 試驗概況與有限元建模

基于已完成的裝配式蒸壓加氣混凝土墻板受彎性能試驗[13](圖2)，采用ABAQUS有限元軟件進行有限元分析。有限元分析模型如圖3所示，蒸壓加氣混凝土墻板鋼筋采用桁架單元，蒸壓加氣混凝土、鉤頭螺栓、角鋼等均采用實體單元。

圖2 試驗加載

圖3 有限元分析模型

1.1 材料性能及相關(guān)參數(shù)選取

蒸壓加氣混凝土本構(gòu)關(guān)系采用文獻[14-15]所提出的本構(gòu)模型，即：

(1)

表1 材料力學(xué)性能

注：ALC為加氣輕型混凝土。

1.2 相互作用定義

鉤頭螺栓及鋼筋與蒸壓加氣混凝土之間采用內(nèi)嵌連接方式，忽略其界面間相對滑移。角鋼與蒸壓加氣混凝土間切向為摩擦系數(shù)為0.6的面接觸，法向采用硬接觸。

1.3 邊界條件及荷載施加

為提高有限元分析結(jié)果的真實性，按試驗實際情況進行荷載及邊界條件施加。

1.4 有限元分析結(jié)果

對按上述步驟所建立的有限元模型計算結(jié)果進行分析。計算承載力與試驗結(jié)果對比分析如表2所示，結(jié)果表明：計算值與試驗值誤差在10%以內(nèi)。圖4中有限元應(yīng)力等高線表明：試件最終破壞模式為鉤頭螺栓處蒸壓加氣混凝土的局部受拉破壞而導(dǎo)致的螺栓拔出，且破壞面呈漏斗狀，與試驗破壞形式吻合較好。因此，上述有限元模型可用于蒸壓加氣混凝土墻板的受彎性能分析。

表2 理論值與試驗值分析對比

2 參數(shù)分析

基于北京市地鐵十九號線新發(fā)地站實際工程，以節(jié)點類型、混凝土強度、高厚比及配筋率為分析參數(shù)，采用三分點加載方案對高4 800 mm的蒸壓加氣混凝土墻板受彎性能進行了有限元參數(shù)分析。墻板配筋及節(jié)點構(gòu)造措施均參考《蒸壓加氣混凝土砌塊、板材構(gòu)造》(13J104)[16]設(shè)計，材料力學(xué)性能參數(shù)均采用標(biāo)準(zhǔn)值。

圖4 節(jié)點破壞面

2.1 節(jié)點類型及混凝土強度

2.1.1 模型設(shè)計

設(shè)計了8個模型以研究節(jié)點類型及混凝土強度對蒸壓加氣混凝土墻板受彎性能的影響。其中包括4個鉤頭螺栓節(jié)點墻板及4個U形卡節(jié)點墻板，U形卡、角鋼及鉤頭螺栓鋼材均為Q345，節(jié)點及板構(gòu)造分別如圖5、圖6所示。混凝土選用了A2.5、A3.5、A5.0、A7.0等四種強度。模型設(shè)計參數(shù)如表3所示，試件編號中，UK表示U形卡節(jié)點，GT表示鉤頭螺栓節(jié)點，數(shù)字部分表示蒸壓加氣混凝土強度等級，模型設(shè)計如圖7所示。

圖6 蒸壓加氣混凝土墻板構(gòu)造

圖7 有限元分析模型

表3 模型設(shè)計參數(shù)表

2.1.2 結(jié)果分析

圖8為不同混凝土強度試件極限承載力狀態(tài)下節(jié)點位置應(yīng)力云圖。在極限狀態(tài)下，卡槽應(yīng)力均未達到其屈服強度，最終破壞形態(tài)為墻板受彎破壞，而鉤頭螺栓連接墻板均為節(jié)點處混凝土沿漏斗狀破壞面的受拉破壞。

圖8 極限承載力狀態(tài)Miss應(yīng)力

由圖9荷載-跨中位移曲線及圖10極限承載力-混凝土強度相關(guān)曲線可知：隨著混凝土強度的提高，鉤頭螺栓連接墻板剛度及承載力有一定提高但并不顯著，而U形卡連接墻板剛度及極限承載力顯著提高；當(dāng)混凝土強度一定時，極限承載力U形卡連接墻板較鉤頭螺栓連接墻板提高80.10%～154.75%。這是由于U形卡連接墻板最終破壞形態(tài)為墻板受彎破壞，其受彎性能主要取決于墻板整體抗彎能力，而鉤頭螺栓連接墻板最終破壞形態(tài)為節(jié)點沿漏斗狀破壞面的拉脫，其受彎性能主要取決于混凝土的局部受拉。與鉤頭螺栓連接相比，U形卡連接墻板強度更高，且充分發(fā)揮了各項材料的受彎性能，施工較簡便，更適用于封閉環(huán)境的地鐵車站裝配式施工。

圖9 不同混凝土強度模型F-Δ曲線

2.2 U形卡構(gòu)造形式

2.2.1 模型設(shè)計

工程中常用的U形卡節(jié)點構(gòu)造形式有柔性連接(非焊接)及預(yù)埋焊接兩種，為了研究節(jié)點構(gòu)造對墻板受彎性能的影響，設(shè)計了2個U形卡節(jié)點墻板模型。節(jié)點及板構(gòu)造示意分別如圖5、圖6所示，卡槽鋼材采用Q345鋼。模型設(shè)計參數(shù)如表4所示。

表4 模型參數(shù)

注：UK表示節(jié)點構(gòu)造為柔性連接，UKFIX表示節(jié)點構(gòu)造為預(yù)埋焊接。

2.2.2 結(jié)果分析

由卡槽應(yīng)力云圖11可知：當(dāng)模型達峰值荷載時，兩種構(gòu)造措施卡槽均未屈服，最終破壞形態(tài)均表現(xiàn)為墻板受彎破壞；由于UKFIX卡槽翼緣與墻板間通過預(yù)埋件焊接，限制了墻板面外轉(zhuǎn)動，故其卡槽翼緣應(yīng)力較大。

圖11 極限承載力狀態(tài)卡槽Miss應(yīng)力

圖12 不同節(jié)點構(gòu)造模型F-Δ曲線

圖12為荷載-跨中撓度曲線，采用預(yù)埋焊接構(gòu)造措施時，模型極限承載力提高20.52%，且剛度具有一定提高；這主要是由于預(yù)埋焊接的構(gòu)造措施使卡槽翼緣對墻板形成有效約束，墻板端部節(jié)點由更加趨近于固定端，在墻板端部產(chǎn)生負彎矩，減小了墻板跨中彎矩，從而達到提高承載力的效果。預(yù)埋焊接構(gòu)造雖然能一定程度提高墻板承載能力，但同時提高了墻板與主體結(jié)構(gòu)間連接節(jié)點的剛度，使得墻板的地震作用增強；且由于地鐵車站封閉施工環(huán)境的限制，不適合大面積現(xiàn)場焊接作業(yè)，故建議可采用柔性連接U形卡節(jié)點。

2.3 高厚比

2.3.1 模型設(shè)計

結(jié)合上述研究，設(shè)計了5個不同板厚模型以研究高厚比對U形卡節(jié)點墻板受彎性能的影響，節(jié)點及板構(gòu)造示意分別如圖5、圖6所示，卡槽鋼材采用Q345鋼。模型參數(shù)如表5所示。

表5 模型參數(shù)

2.3.2 結(jié)果分析

圖13為模型極限承載力狀態(tài)下卡槽應(yīng)力云圖。由圖13可知，卡槽腹板應(yīng)力分布由上往下依次遞增，且隨板高厚比的減小，下翼緣應(yīng)力逐漸增大；隨著板厚增大，卡槽最大應(yīng)力逐漸增大，但均未屈服。

圖13 不同高厚比模型極限承載力狀態(tài)卡槽Miss應(yīng)力

圖14、圖15分別為荷載-跨中位移曲線及極限承載力-板厚相關(guān)曲線，隨著板厚的增加，墻板極限承載力及剛度均顯著提高，極限承載力UK300較UK150提高301.50%；這是由于模型最終均表現(xiàn)為墻板受彎破壞，故其受彎性能均由墻板控制所致。

圖14 不同高厚比模型F-Δ曲線

2.4 配筋率

2.4.1 模型設(shè)計

設(shè)計了4個不同配筋率(縱筋直徑)模型以研究配筋率對裝配式墻板受彎性能的影響。模型均采用雙排配筋，節(jié)點及板構(gòu)造示意分別如圖5、圖6所示，卡槽鋼材采用Q345鋼。設(shè)計參數(shù)如表6所示。

圖15 極限承載力-板厚相關(guān)曲線

表6 模型設(shè)計參數(shù)表

2.4.2 結(jié)果分析

模型極限承載力狀態(tài)下卡槽應(yīng)力云圖如圖16所示：卡槽腹板應(yīng)力分布由上往下依次遞增，且隨配筋率的增大，下翼緣應(yīng)力及卡槽最大應(yīng)力均逐漸增大，但均未達屈服應(yīng)力，模型最終仍表現(xiàn)為墻板受彎破壞。

圖16 不同配筋率模型卡槽Miss應(yīng)力

圖17、圖18分別為不同配筋率模型荷載-跨中位移曲線及極限承載力-配筋率相關(guān)曲線，由圖可知：隨著配筋率的增大，模型極限承載力不斷提高，其中UK12較UK6提高70.60%；這是由于當(dāng)極限承載力由墻板控制時，其配筋率對極限抗彎承載力有較大影響。

圖17 不同配筋率模型F-Δ曲線

圖18 極限承載力-配筋率相關(guān)曲線

3 結(jié)論

結(jié)合北京地鐵19號線新發(fā)地地鐵站裝配式二次結(jié)構(gòu)設(shè)計，基于試驗，進行了蒸壓加氣混凝土墻板受彎性能的有限元建模與參數(shù)分析，主要結(jié)論與建議如下。

(1)建立的有限元模型分析結(jié)果與試驗值吻合較好，適用于蒸壓加氣混凝土裝配式墻板的受力分析。

(2)相較于鉤頭螺栓節(jié)點，U形卡節(jié)點能夠提高裝配式墻板極限承載力80.10%～154.75%，并且充分地發(fā)揮了各項材料的受彎性能。

(3)相較于柔性連接(非焊接)U形卡節(jié)點，預(yù)埋焊接U形卡節(jié)點能一定程度提高墻板極限承載力，但考慮地鐵車站封閉施工環(huán)境對大面積焊接作業(yè)的限制，建議可采用柔性連接U形卡節(jié)點。

(4)通過減小墻板高厚比、提高配筋率及蒸壓加氣混凝土強度的方式均能有效地提高墻板極限承載力；工程設(shè)計時，需要注意節(jié)點與墻板之間受彎性能的匹配。