雙跨無柱裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析

宋 冉,張繼清,崔 濤,郭劍勇

(1.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300251； 2.城市軌道交通數(shù)字化建設(shè)與測(cè)評(píng)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,天津 300251)

1 概述

軌道交通地下區(qū)間采用裝配式的盾構(gòu)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但地鐵車站仍主要以明挖、蓋挖施工為主。傳統(tǒng)的明挖車站存在施工條件困難、工程量大、工期較長、施工質(zhì)量難以保證等問題[1-3]。采用構(gòu)件工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場智能拼裝的裝配式結(jié)構(gòu)是軌道交通發(fā)展的重要方向，因此，需要以全新的思維思考地下車站設(shè)計(jì)，發(fā)揮裝配式地鐵車站在軌道交通結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)和施工的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)其可行性進(jìn)行研究[4-5]。

國外已對(duì)預(yù)制裝配式技術(shù)在高速鐵路、地鐵隧道和各類市政管線中的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究[6-9]，國內(nèi)前期主要對(duì)半預(yù)制半裝配地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[10]。隨著裝配式預(yù)制技術(shù)的發(fā)展，目前已有不少學(xué)者對(duì)裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)形式及受力特性開展研究工作。陶連金[11]采用ABAQUS軟件對(duì)長春地鐵袁家店裝配式地鐵車站在不同支撐方式下的結(jié)構(gòu)整體受力和接頭變形情況進(jìn)行計(jì)算研究；李向海[12]采用MIDAS軟件分別對(duì)拱形和矩形裝配式地鐵車站受力性能進(jìn)行有限元分析計(jì)算，結(jié)果表明拱形結(jié)構(gòu)車站受力性能更優(yōu)；劉建洪[13]對(duì)雙層雙跨、雙層單跨地下車站框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，采用數(shù)值模擬方法分析了上述2種結(jié)構(gòu)在施工過程中的力學(xué)特性，并從裝配條件、施工便捷性、使用功能和經(jīng)濟(jì)性等多方面進(jìn)行了分析；鐘春玲[14]建立了裝配式地鐵車站節(jié)點(diǎn)有限元模型，研究車站結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在低周期反復(fù)荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律和抗震性能；蘇會(huì)鋒[15]、李兆平[16]、楊秀仁[17]對(duì)全裝配式地鐵車站榫槽式接頭的抗彎承載能力分別進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)接頭尺寸、注漿范圍影響下的接頭抗彎剛度進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；丁鵬[18]以長春地鐵袁家店裝配式地鐵車站為例，采用有限元分析手段，對(duì)車站結(jié)構(gòu)分塊進(jìn)行閉腔優(yōu)化，閉腔構(gòu)造有效減輕了車站分塊的自重，且滿足結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性要求。

上述研究成果中，通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究手段對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的裝配式地鐵車站受力性能進(jìn)行了分析，結(jié)構(gòu)形式大多與現(xiàn)澆車站相類似，對(duì)于如何更大程度地發(fā)揮裝配式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，還需要進(jìn)一步研究。在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合某工程實(shí)際需求，考慮結(jié)構(gòu)、建筑、空間、軌道與管線等綜合因素，提出雙跨無柱裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)方案，利用數(shù)值模擬方法，建立含縱、橫向連接接頭的多幅裝配式地鐵車站三維精細(xì)化有限元計(jì)算模型，分析車站整體及各接頭處的受力、變形結(jié)果，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性。

2 裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)方案

2.1 工程概況

某工程車站場地地勢(shì)較為平坦，地面高程2.88～4.08 m。地層主要為第四系人工填土層、第四系海陸交互相淤泥、第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、中粗砂、硬塑狀砂質(zhì)黏土及全～中風(fēng)化巖。

地下水主要為孔隙潛水和上層滯水，其中砂層為主要含水層，富水性和透水性較好，其他為弱透水層?？垢∷辉O(shè)置于地面。

車站為地下二層島式站臺(tái)，站臺(tái)寬度11 m，結(jié)構(gòu)上部覆土3 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深16.53 m。兩端盾構(gòu)井與部分標(biāo)準(zhǔn)段為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，其余部分為預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)。工程區(qū)域土體力學(xué)特性參數(shù)見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 結(jié)構(gòu)方案

裝配式車站采用雙層島式無柱結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段總寬度為20.1 m，高13.28 m。采用無柱方式需解決結(jié)構(gòu)大跨受力問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合考慮空間利用、減輕結(jié)構(gòu)分塊自重和結(jié)構(gòu)使用便利等因素。

車站結(jié)構(gòu)橫斷面分為6塊，如圖1所示。

圖1 裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)橫斷面(單位：mm)

底板中部與站臺(tái)板組成一體化箱梁結(jié)構(gòu)，兩側(cè)與整體道床組合為一體結(jié)構(gòu)。底板A塊和底角板B塊之間設(shè)置凹凸榫，接頭通過螺栓連接。中板采用魚腹形式的空間結(jié)構(gòu)，利用結(jié)構(gòu)空腔設(shè)置風(fēng)道。側(cè)墻C塊和中板D塊通過牛腿連接，牛腿插入錨栓實(shí)現(xiàn)連接。頂板采用中空的“T”形拱形結(jié)構(gòu)，并在拱腳外側(cè)空間設(shè)置結(jié)構(gòu)風(fēng)道。頂角板E塊和頂板F塊通過榫槽和螺栓連接。側(cè)墻C塊和底角板B塊、頂角板E塊均通過凹凸榫和預(yù)應(yīng)力鋼棒連接。預(yù)制裝配段縱向幅寬1.5 m，縱向2幅之間通過凹凸榫和精軋螺紋鋼連接。

車站各分塊的施工安裝順序?yàn)椋篈塊與B塊→B塊與C塊→C塊與D塊→C塊與E塊→E塊與F塊，橫向成幅后進(jìn)行下一幅的拼裝，并采用精扎螺紋鋼進(jìn)行幅間縱向連接。安裝過程中應(yīng)嚴(yán)格控制各分塊的安裝精度，底板基礎(chǔ)在墊層中設(shè)置槽鋼軌道，精度控制在±2 mm；構(gòu)件底部預(yù)安裝定位角鋼，使其縱向平移過程中的橫向偏差控制在±5 mm；底板構(gòu)件在首環(huán)端部設(shè)置定位架作為基準(zhǔn)，保證底板構(gòu)件的縱向位置精確；待安裝構(gòu)件精準(zhǔn)就位于安裝臺(tái)車，臺(tái)車軌道定位要精確。

3 有限元計(jì)算模型建立

由于該裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)形式較復(fù)雜，且存在樓扶梯開洞位置受力情況不明確的問題，為全面地模擬車站整體的受力和變形情況，采用大型通用有限元軟件ABAQUS，對(duì)裝配式車站的整體剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算。

3.1 計(jì)算條件和荷載

裝配式車站主體結(jié)構(gòu)均采用C50混凝土，主體結(jié)構(gòu)橫斷面各分塊間采用3根8.8級(jí)螺栓進(jìn)行連接，螺栓尺寸φ30 mm；側(cè)墻上、下及縱向凹凸榫間采用φ32 mm的PSB830鋼棒連接。車站結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載

圖2為此次計(jì)算的荷載模式和計(jì)算得到的荷載值，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1，基本組合下永久荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.35、可變荷載為1.5；標(biāo)準(zhǔn)組合下永久荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.0、可變荷載為1.0。

分別采用水平線彈簧和豎向線彈簧模擬地層對(duì)結(jié)構(gòu)的水平位移和底板垂直位移的約束作用。結(jié)構(gòu)底部豎向線彈簧僅承受壓力，側(cè)墻部分水平線彈簧僅承受壓力?；拥淄翆踊蚕禂?shù)取44 MPa/m；側(cè)墻處土層水平基床系數(shù)取30 MPa/m。

3.2 計(jì)算模型

基于CAD-CAE集成技術(shù)，采用精細(xì)化建模方法，建立能夠反映裝配式地鐵車站工程主要結(jié)構(gòu)特征的有限元“荷載-結(jié)構(gòu)”數(shù)值模型。結(jié)構(gòu)受力和變形分析計(jì)算采用三維精細(xì)化有限元模型，如圖3所示。模型縱向共計(jì)16幅(長24 m)，中板樓扶梯開洞及底板扶梯基坑位于第7～12幅處。采用本構(gòu)模型包括彈性模型(模擬混凝土材料)、經(jīng)典金屬彈塑性本構(gòu)模型(Classical metal plastic model)(模擬螺栓、預(yù)應(yīng)力鋼棒等金屬材料)。主體結(jié)構(gòu)各分塊混凝土均采用實(shí)體應(yīng)力/位移單元C3D8R模擬，橫斷面分塊間采用螺栓連接，每個(gè)接頭處單幅縱向布置3根螺栓，側(cè)墻連接使用預(yù)應(yīng)力鋼棒，負(fù)一層為2根，負(fù)二層為3根，螺栓和預(yù)應(yīng)力鋼棒采用桿單元(T3D2單元)模擬。分塊間的連接關(guān)系，采用“面-面接觸”模型，切向?yàn)榛瑒?dòng)摩擦，法向?yàn)橛步佑|關(guān)系。連接構(gòu)件如螺栓、預(yù)應(yīng)力鋼棒可通過施加溫度場的方式模擬預(yù)應(yīng)力[19]，并通過嵌入接觸關(guān)系模擬其與混凝土的相互作用關(guān)系。有限元模型共有節(jié)點(diǎn)145 582個(gè)，實(shí)體單元96 262個(gè)，線單元704個(gè)。

圖3 三維精細(xì)化有限元模型

計(jì)算模型坐標(biāo)系為笛卡爾坐標(biāo)系，x向沿車站橫向方向，y向?yàn)樨Q直方向，豎直向上為正，z向沿車站縱向方向，符合右手螺旋定則。

4 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)結(jié)構(gòu)使用階段的變形模式(整體變形和接頭處局部變形)、連接螺栓和預(yù)應(yīng)力鋼棒的應(yīng)力、典型斷面的內(nèi)力進(jìn)行分析，從而判定裝配式地鐵車站使用階段的整體剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

4.1 結(jié)構(gòu)變形結(jié)果分析

圖4和圖5分別為車站結(jié)構(gòu)整體和各接頭處的變形云圖。車站結(jié)構(gòu)以豎向變形為主，表現(xiàn)為頂板和中板向下變形，底板稍有隆起。水平變形整體較小，主要發(fā)生在負(fù)一層和負(fù)二層側(cè)墻部位，表現(xiàn)為側(cè)向內(nèi)鼓。

圖4 車站結(jié)構(gòu)整體變形云圖(單位：m)

圖5 標(biāo)準(zhǔn)斷面接頭變形云圖(單位：m)

表3和表4分別總結(jié)了結(jié)構(gòu)的整體變形和接頭處變形。

撓度控制值按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》3.4.3中的規(guī)定，按照l0/300計(jì)算，其中l(wèi)0為板的計(jì)算跨度。

表3 車站結(jié)構(gòu)整體變形結(jié)果 mm

表4 接頭連接處變形結(jié)果 mm

由表3和表4可知：車站頂板和中板的變形較大，最大變形值為13 mm左右，滿足撓度和變形要求；各接頭連接處的張開量和錯(cuò)臺(tái)量均小于1 mm，接頭變形量小，說明了該方案下裝配式車站接頭連接具備有效性。

4.2 結(jié)構(gòu)受力結(jié)果分析

(1)主體結(jié)構(gòu)混凝土受力分析

圖6 主體結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖6為裝配式地鐵車站主體結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力分布云圖。由圖6可知，主體結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力分布在25.62 MPa之內(nèi)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂板與側(cè)墻過渡段，主要是由于結(jié)構(gòu)斷面形式變化和網(wǎng)格質(zhì)量引起應(yīng)力集中，其余位置混凝土應(yīng)力均未超過C50混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值23.1 MPa。

(2)連接接頭受力分析

表5給出了接頭螺栓及側(cè)墻預(yù)應(yīng)力鋼棒的受力結(jié)果。

表5 接頭螺栓及側(cè)墻預(yù)應(yīng)力鋼棒受力結(jié)果

螺栓的初始預(yù)拉力設(shè)定為100 kN。側(cè)墻E塊側(cè)墻位置與頂板風(fēng)道接頭處螺栓最大拉應(yīng)力為418.9 MPa，為屈服應(yīng)力640 MPa的65.5%；其他部位連接螺栓最大拉應(yīng)力為202.6 MPa，等效拉力為143.2 kN。單根螺栓屈服拉力為452.4 kN，為屈服拉力的31.7%。

預(yù)應(yīng)力鋼棒的初始預(yù)拉力設(shè)定為300 kN。負(fù)二層側(cè)墻預(yù)應(yīng)力鋼棒的最大拉應(yīng)力為387.9 MPa，等效拉力為311.9 kN。單根預(yù)應(yīng)力鋼棒的屈服拉力為630 kN，為屈服拉力的49.50%。負(fù)一層側(cè)墻預(yù)應(yīng)力鋼棒的最大拉應(yīng)力為389.0 MPa，等效拉力為312.8 kN。單根預(yù)應(yīng)力鋼棒的屈服拉力為630 kN，為屈服拉力的49.64%。

(3)典型截面內(nèi)力分析

圖7為內(nèi)力分析的典型截面示意。各典型界面的內(nèi)力值見表6。

圖7 內(nèi)力分析典型截面示意

表6 典型截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

由表6可知，裝配式車站結(jié)構(gòu)底板跨中為整個(gè)車站橫斷面內(nèi)力最不利截面，根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》6.2條計(jì)算得到底板跨中截面在承受1 253 kN軸力時(shí)的極限彎矩為8 340 kN·m，底板彎矩小于極限彎矩。其余截面經(jīng)驗(yàn)算，內(nèi)力均滿足承載能力要求。因此，裝配式車站結(jié)構(gòu)受力滿足截面承載能力要求，底板跨中采用箱形結(jié)構(gòu)在減輕自重的情況下可承擔(dān)較大的內(nèi)力。內(nèi)力計(jì)算結(jié)果可用于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算。

4.3 車站整體及局部抗浮驗(yàn)算

對(duì)于裝配式地下車站結(jié)構(gòu)，由于接頭的存在，需考慮車站的整體抗浮能力和底板接頭局部抗浮能力[20-21]。

根據(jù)前述條件及計(jì)算結(jié)果，得到單幅車站的結(jié)構(gòu)自重為2 491.2 kN，結(jié)構(gòu)覆土1 809 kN，水浮力4 974.7 kN，圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重1 230 kN，樁側(cè)極限抗拔力標(biāo)準(zhǔn)值和特征值分別為3 350.25 kN和1 675.13 kN，考慮地連墻自重和樁側(cè)阻力參與抗浮，抗浮安全系數(shù)為1.448，大于1.15，由此判斷，車站整體滿足抗浮要求。在整體抗浮滿足要求的條件下，底板A塊與B塊之間的縱向錯(cuò)臺(tái)量僅為0.338 mm，滿足局部抗浮的要求。

5 結(jié)論

依托某工程地下二層島式車站，設(shè)計(jì)了雙跨無柱裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)，車站橫分塊間采用“凹凸榫+預(yù)應(yīng)力鋼棒”連接，縱向幅間采用“凹凸榫+精軋螺紋鋼”連接。借助三維有限元計(jì)算軟件，對(duì)車站結(jié)構(gòu)的整體及局部接頭變形、受力情況進(jìn)行了分析研究，得到如下結(jié)論。

(1)裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為“豎向整體向下、水平內(nèi)鼓”的變形模式，最大水平位移位于樓扶梯斷面?zhèn)葔Α敯逑嘟惶?，?.38 mm，最大豎向位移出現(xiàn)在頂板跨中，為13.75 mm。頂板和中板撓度均小于控制值，說明空心結(jié)構(gòu)頂板和魚腹梁結(jié)構(gòu)中板的形式可有效地減輕自重，保證車站結(jié)構(gòu)滿足變形控制要求。

(2)車站結(jié)構(gòu)橫斷面各分塊間接頭均發(fā)生一定程度的張開或錯(cuò)臺(tái)，最大張開量為0.95 mm，位于側(cè)墻(C塊)與中板連接處；最大錯(cuò)臺(tái)量為0.93 mm，位于側(cè)墻與底板連接處，各分塊間張開量和錯(cuò)臺(tái)量均小于1 mm。接頭變形整體較小，可保證接頭防水的有效性，在滿足車站整體抗浮穩(wěn)定性的前提下，底板接縫變形很小，保證了分塊間的局部抗浮能力。

(3)車站主體結(jié)構(gòu)混凝土除局部存在應(yīng)力集中外，均滿足混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值要求。接頭連接處螺栓最大應(yīng)力為418.9 MPa，負(fù)一層和負(fù)二層側(cè)墻預(yù)應(yīng)力鋼棒最大應(yīng)力為389.0 MPa，螺栓和鋼棒受力均小于屈服應(yīng)力。車站結(jié)構(gòu)整體受力滿足材料強(qiáng)度要求，底板采用箱形結(jié)構(gòu)在減輕自重的情況下可承擔(dān)較大的內(nèi)力，結(jié)構(gòu)受力可靠。

該裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)形式能夠滿足變形控制要求，結(jié)構(gòu)混凝土和連接鋼筋滿足強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)整體和局部均能保證穩(wěn)定，整體受力分析結(jié)果可靠。