局部預(yù)制裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)力學(xué)行為分析

任夢 曾德星 黃威 楊睿

摘 要：針對目前地鐵車站傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工的缺點(diǎn)及全預(yù)制裝配式地鐵車站的防水和施工缺陷，提出局部預(yù)制裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)及施工工藝。建立三維有限元計(jì)算模型，對比研究了整體現(xiàn)澆車站結(jié)構(gòu)和局部預(yù)制車站結(jié)構(gòu)的受力特征、變形行為和整體抗震性能。分析結(jié)果表明：局部預(yù)制車站與整體現(xiàn)澆車站的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，預(yù)制和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。中柱在地震反應(yīng)中最為劇烈，是抗震薄弱構(gòu)件。

關(guān)鍵詞：地鐵;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);力學(xué)性能分析;數(shù)值計(jì)算;預(yù)制裝配式車站

中圖分類號：U451? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）04-0140-03

1引言

近年來，國家大力推行裝配式建造技術(shù)，推動(dòng)裝配式建筑取得突破性進(jìn)展。裝配式建造技術(shù)能發(fā)揮綠色、環(huán)保、高效的優(yōu)勢，彌補(bǔ)傳統(tǒng)現(xiàn)澆建造技術(shù)的多方面不足，是工程建造未來的發(fā)展方向。

國內(nèi)預(yù)制裝配式建造技術(shù)的發(fā)展起步較國外晚，目前，裝配式施工在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要涉及公路、鐵路、橋梁、綜合管廊、地鐵等領(lǐng)域[1-2]。在明挖法車站建造方面，預(yù)制裝配化施工仍處于探索階段。長春地鐵2號線車站采用預(yù)制裝配式施工工法，是國內(nèi)首個(gè)預(yù)制裝配式車站[3-7]。楊秀仁和黃美群[8]分析和探討了長春地鐵 2 號線預(yù)制裝配車站關(guān)鍵技術(shù)。李兆平等[3]對長春地鐵預(yù)制車站裝配結(jié)構(gòu)的接頭力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。陶連金等[9]研究在不同支撐方式下結(jié)構(gòu)的受力和變形特性。北京地鐵6號線金安橋站是北京首座整體裝配式地鐵車站。杜修力等[10]研究了北京金安橋預(yù)制拼裝車站側(cè)墻連接節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載下的力學(xué)性能，進(jìn)一步驗(yàn)證了車站整體的抗震性能。

地鐵地下車站預(yù)制裝配化不同于地面裝配式建筑，面臨深基坑開挖支護(hù)、防水等關(guān)鍵問題，類似長春地鐵的全預(yù)制裝配方案的理念具有很大的局限性。因此，本文在基于現(xiàn)有的地鐵地下車站建造技術(shù)之上，提出局部裝配式地鐵車站一體化施工工法，并對相應(yīng)的車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體力學(xué)行為分析。

2局部裝配式地鐵車站一體化施工

地下工程施工涉及基坑開挖支護(hù)、防水等問題，全預(yù)制裝配式車站施工的適用性和推廣性有限，因此在現(xiàn)有的地鐵地下車站建造技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用“預(yù)制+現(xiàn)澆”組合的方案，進(jìn)行局部裝配式地鐵車站一體化施工，底板采用現(xiàn)澆施工工藝，在側(cè)墻、中柱處預(yù)留鋼筋;側(cè)墻采用預(yù)制+現(xiàn)澆疊合墻施工工藝，預(yù)制側(cè)墻兼做現(xiàn)澆側(cè)墻模板;中板、中柱、中縱梁均預(yù)制，節(jié)點(diǎn)處現(xiàn)澆;頂板采用預(yù)制+現(xiàn)澆疊合工藝，預(yù)制頂板兼做現(xiàn)澆頂板底模。

2.1模型概況

如圖 1所示，選取4環(huán)管片（單環(huán)幅寬1.5 m），采用MIDAS GTS建立三維“地層-實(shí)體”有限元模型，均采用實(shí)體單元建模，地層采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，混凝土材料采用彈性模型。地層及混凝土材料參數(shù)見表 1。

建立完全現(xiàn)澆車站和預(yù)制裝配式車站的分析模型，在完全現(xiàn)澆車站模型中，車站墻板柱的節(jié)點(diǎn)完全耦合，在預(yù)制裝配式車站模型中，預(yù)制構(gòu)件與后澆混凝土界面設(shè)置摩擦滑移接觸，接觸面的粘聚力c取3MPa，摩擦角φ取38°。

2.2結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力值可以判斷結(jié)構(gòu)受荷最大受拉位置，圖 2顯示容易發(fā)生受拉破壞的位置為層板下表面跨中位置，以及層板與豎向構(gòu)件連接位置。

最小主應(yīng)力值可以判斷結(jié)構(gòu)受荷最大受壓位置。圖 3顯示，容易發(fā)生受壓破壞的位置主要為中柱、中柱與底板/層板連接部位、層板上表面跨中位置。中柱作為主要的豎向承力構(gòu)件，主要承受上部結(jié)構(gòu)及土層的壓力，所受壓應(yīng)力較大。

如圖 2和圖 3所示，預(yù)制車站與整體現(xiàn)澆車站的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，在同樣的荷載作用下，預(yù)制車站在發(fā)揮減少高支模、減少木模板和施工腳手架的使用，加快施工進(jìn)度等優(yōu)勢的同時(shí)，其整體力學(xué)性能基本能達(dá)到整體澆筑車站的水平。

2.3結(jié)構(gòu)變形分析

通過分析結(jié)構(gòu)的水平和豎向變形量，判斷結(jié)構(gòu)變形最不利位置。對于結(jié)構(gòu)豎向位移（圖 4），預(yù)制車站頂板最大撓度為2.65 mm，中板最大撓度為2.48 mm，整體現(xiàn)澆車站頂板最大撓度為2.6 mm，中板最大撓度為2.46 mm。預(yù)制車站的整體變形量與現(xiàn)澆車站相差不大。

2.4預(yù)制與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)結(jié)合面受力分析

側(cè)墻和頂板均是預(yù)制+現(xiàn)澆疊合墻施工工藝，預(yù)制側(cè)墻兼做現(xiàn)澆側(cè)墻模板;預(yù)制頂板兼做現(xiàn)澆頂板底模。預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆混凝土結(jié)合面屬于受力薄弱面，對該結(jié)合面的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖 5和圖 6所示，界面法向應(yīng)力集中分布于各預(yù)制構(gòu)件的后澆帶處，而整體疊合面的應(yīng)力幅值較小。如圖 6所示，預(yù)制頂板和現(xiàn)澆頂板結(jié)合面承受較大的剪應(yīng)力，這是由于頂板承受較大的壓彎荷載所致。

2.5預(yù)制車站抗震性能分析

如圖 7和圖 8所示，在地震荷載作用下，車站結(jié)構(gòu)上層相對位移較大，車站頂板發(fā)生最大的水平相對位移，這導(dǎo)致中柱的剪力在與中板連接位置達(dá)到最大值，同時(shí)，結(jié)構(gòu)主應(yīng)力主要集中在中柱與板的連接位置、頂板和側(cè)墻的連接隅角，這些主要連接節(jié)點(diǎn)首先發(fā)生破壞后，頂板上覆土的大部分重量由中柱承擔(dān)，因此中柱承受較大軸力，尤其是中柱底部的軸力最大。加上中柱由于上層結(jié)構(gòu)的相對位移承受較大的剪應(yīng)力，極易發(fā)生壓剪破壞，造成中柱坍塌，因此在很多遭受地震破壞的車站結(jié)構(gòu)中，中柱底部的損傷最為嚴(yán)重。由于中柱的倒塌，頂板兩端采用剛性結(jié)點(diǎn)，側(cè)壁上部外側(cè)受彎發(fā)生張拉破壞，使頂板在中柱左右兩側(cè)的位置發(fā)生折彎，從而增大頂板的坍塌量。

3結(jié)論

（1）局部預(yù)制車站與整體現(xiàn)澆車站的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，預(yù)制車站在發(fā)揮減少高支模、減少木模板和施工腳手架的使用，加快施工進(jìn)度等優(yōu)勢的同時(shí)，其整體力學(xué)性能基本能達(dá)到整體澆筑車站的水平。

（2）局部預(yù)制裝配式車站結(jié)構(gòu)采用預(yù)制和現(xiàn)澆結(jié)合的型式，相比于完全預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，其節(jié)點(diǎn)的剛度更大，節(jié)點(diǎn)質(zhì)量更易保證。預(yù)制結(jié)構(gòu)整體受力性能分析表明，現(xiàn)澆及預(yù)制結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接位置仍是整體結(jié)構(gòu)的受力薄弱點(diǎn)，出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。層板作為主要受彎構(gòu)件，其下表面跨中位置容易發(fā)生受拉破壞。

（3）中柱在地震反應(yīng)中最為劇烈，中柱在軸力和剪力作用下，最終發(fā)生壓曲和彎曲的雙重破壞，是抗震薄弱構(gòu)件。在抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加大中柱剛度，以使車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震能力相互協(xié)調(diào)，由此提高車站結(jié)構(gòu)的整體抗震能力。

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