裝配式車站出入口環(huán)框預(yù)制結(jié)構(gòu)沿車站縱向的受力分析

吳成剛， 羅杰俊， 林 放

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 北京 137000)

0 引言

近年來,裝配式地鐵車站建造技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展迅速，楊秀仁等[1-2]對(duì)裝配式車站存在的問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究分析。出入口環(huán)框結(jié)構(gòu)是裝配式車站的重要組成部分，采用預(yù)制結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)裝配式車站結(jié)構(gòu)連續(xù)拼裝，提高拼裝效率。預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)在拼裝過程中，存在多個(gè)工況，受力較為復(fù)雜，因此,需要分析預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)沿車站縱向的受力特點(diǎn)。探明預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)從施工到使用各階段的受力狀態(tài)及其變化規(guī)律，是實(shí)現(xiàn)裝配式車站連續(xù)快速拼裝、確保施工安全的重要基礎(chǔ)。

目前,對(duì)地鐵車站附屬接口處的力學(xué)行為研究多針對(duì)現(xiàn)澆車站及暗挖車站。郭正偉等[3]以明挖現(xiàn)澆地鐵車站與風(fēng)道接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題為研究對(duì)象，結(jié)合相關(guān)理論及實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)布置、抗浮等角度展開分析與探討。劉元杰[4]通過典型明挖現(xiàn)澆地鐵車站三維數(shù)值計(jì)算，得到了車站主體結(jié)構(gòu)開孔前與開孔后的內(nèi)力結(jié)果，總結(jié)了板墻開孔對(duì)主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律。何翊武等[5]采用有限元數(shù)值分析模型對(duì)暗挖車站大斷面拱形斷面附屬接口開洞影響進(jìn)行了研究。但是，針對(duì)裝配式地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的研究還比較少; 同時(shí)，裝配式車站的拼裝工藝與現(xiàn)澆車站、暗挖車站的施工工藝不同，結(jié)構(gòu)形式不同，荷載模式不同。因此，裝配式車站附屬接口處的受力特點(diǎn)明顯區(qū)別于現(xiàn)澆車站和暗挖車站。本文以深圳地鐵某裝配式車站為工程背景，在楊秀仁等[6-8]、丁鵬等[9-10]對(duì)裝配式車站的研究成果基礎(chǔ)上，對(duì)裝配式車站出入口環(huán)框結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,分析環(huán)框結(jié)構(gòu)從施工到使用各階段的受力模式及邊界條件、環(huán)框結(jié)構(gòu)同頂板構(gòu)件之間的接縫注漿、對(duì)環(huán)框結(jié)構(gòu)承載的影響以及環(huán)框結(jié)構(gòu)在不同工況下的受力狀態(tài)。通過對(duì)裝配式地鐵車站出入口環(huán)框受力特點(diǎn)的研究，以期為后續(xù)裝配式車站環(huán)框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)和方法。

1 裝配式車站概況

1.1 車站斷面型式

裝配式車站結(jié)構(gòu)斷面采用站廳無柱、站臺(tái)有柱、拱頂直墻結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)總寬度為22.3 m，結(jié)構(gòu)總高度為17.35 m。車站斷面分塊主要為： 頂板1塊、側(cè)墻2塊、中板1塊、底板1塊、站臺(tái)層設(shè)置預(yù)制中梁及中柱。裝配式車站結(jié)構(gòu)橫斷面如圖1所示。

圖1 裝配式車站結(jié)構(gòu)橫斷面圖(單位: m)

1.2 出入口環(huán)框設(shè)計(jì)方案

1.2.1 環(huán)框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝配式地鐵車站附屬接口開口方式與盾構(gòu)隧道管片開口方式不同。盾構(gòu)隧道預(yù)制管片主要通過切割混凝土管片或拆除部分鋼管片2種方式形成側(cè)向開口。本裝配式地鐵車站為大跨拱形斷面，若采用切割方式對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行開口，由于開口寬度較大，需要連續(xù)開8 m的跨度，對(duì)車站拱頂結(jié)構(gòu)受力影響顯著，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力集中和變形過大，造成結(jié)構(gòu)體系失穩(wěn); 此外，在實(shí)際施工中切割或者拆除預(yù)制構(gòu)件施工風(fēng)險(xiǎn)大,在拆除過程需要架設(shè)大量的臨時(shí)支撐，車站結(jié)構(gòu)斷面較大，層高較大，增加了構(gòu)件拆除的風(fēng)險(xiǎn)。為避免預(yù)制裝配式地鐵車站后期開口出現(xiàn)上述問題，裝配式地鐵車站采用特殊預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)的方式來實(shí)現(xiàn)車站接出入口的功能要求。采用預(yù)制環(huán)框后，通過合理確定環(huán)框結(jié)構(gòu)的高度和同頂板、側(cè)墻的連接位置及連接方式，使出入口范圍頂板結(jié)構(gòu)同標(biāo)準(zhǔn)段頂板構(gòu)件保持一致，僅需在出入口段設(shè)置短側(cè)墻結(jié)構(gòu)，以匹配出入口環(huán)框設(shè)計(jì)。通過設(shè)置出入口環(huán)框可實(shí)現(xiàn)裝配式車站構(gòu)件拼裝的連續(xù)性，避免了后期出入口位置的切割，提高了施工效率，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

裝配式車站單環(huán)環(huán)寬2 m，在出入口接口處采用預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)。出入口環(huán)框設(shè)計(jì)需滿足出入口結(jié)構(gòu)使用及管線布置的要求，由環(huán)框頂、底梁結(jié)構(gòu)高度，建筑使用凈空以及單環(huán)構(gòu)件環(huán)寬模數(shù)共同確定環(huán)框結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。出入口預(yù)制環(huán)框總寬8 m，結(jié)構(gòu)凈寬7 m，結(jié)構(gòu)高度為5.1 m。裝配式車站出口環(huán)框示意如圖2所示。

圖2 裝配式車站出口環(huán)框示意圖(單位: m)

預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)通過設(shè)置豎向凹凸榫槽以及張拉裝置與上部拱頂預(yù)制構(gòu)件、下部側(cè)墻預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行豎向連接。豎向凹凸榫可實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的快速拼裝，同時(shí)可有效傳遞施工、使用過程中的荷載。在接縫注漿之前，通過環(huán)框結(jié)構(gòu)與頂板、短側(cè)墻的豎向連接來確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。待接縫注漿完成后，環(huán)框結(jié)構(gòu)同頂板結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體。環(huán)框結(jié)構(gòu)與前后相鄰標(biāo)準(zhǔn)環(huán)側(cè)墻構(gòu)件通過側(cè)面的凹凸榫及側(cè)墻張拉裝置進(jìn)行連接，使環(huán)框與側(cè)墻預(yù)制構(gòu)件在縱向上成為整體。同時(shí)施加預(yù)加軸力壓緊橡膠密封墊，對(duì)接縫進(jìn)行注漿密封，以保證環(huán)框結(jié)構(gòu)與相鄰預(yù)制構(gòu)件接縫的防水性能。為確保縱向連續(xù)拼裝更加平穩(wěn)、順利和安全，可以采取在環(huán)框內(nèi)設(shè)置豎向鋼支撐的臨時(shí)措施，使結(jié)構(gòu)施工更加安全可靠。出入口預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)如圖3所示，其幾何尺寸如表1所示，材料為C50混凝土并內(nèi)置型鋼。

圖3 出入口預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)

表1 出入口環(huán)框預(yù)制構(gòu)件尺寸

1.2.2 環(huán)框結(jié)構(gòu)施工工序

環(huán)框結(jié)構(gòu)主要施工步序如圖4所示。由圖可知，環(huán)框結(jié)構(gòu)連續(xù)拼裝施工步序?yàn)椋?拼裝全部底板—拼裝環(huán)框結(jié)構(gòu)前一環(huán)側(cè)墻及頂板—拼裝環(huán)框結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)下部短側(cè)墻—拼裝環(huán)框結(jié)構(gòu)—拼裝環(huán)框結(jié)構(gòu)范圍中樓板—拼裝環(huán)框結(jié)構(gòu)上部頂板—拼裝環(huán)框結(jié)構(gòu)后一環(huán)側(cè)墻及頂板。

(a) 環(huán)框結(jié)構(gòu)拼裝 (b) 頂板拼裝

(c) 頂板覆土 (d) 出入口施工并覆土

2 環(huán)框結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

2.1 安裝環(huán)框階段荷載模式

裝配式車站出入口段主要施工步序如下： 1)完成環(huán)框范圍的底板構(gòu)件及環(huán)框下部側(cè)墻構(gòu)件拼裝； 2)拼裝環(huán)框預(yù)制構(gòu)件以及環(huán)框范圍的中板構(gòu)件； 3)拼裝環(huán)框范圍的拱頂塊，接縫注漿； 4)車站剩余裝配段拼裝，車站頂板覆土； 5)后期出入口現(xiàn)澆段施工并與出入口環(huán)框連接，出入口施工完成。

出入口環(huán)框在吊裝就位后主要承受結(jié)構(gòu)自重。該階段環(huán)框結(jié)構(gòu)同底部側(cè)墻及前環(huán)側(cè)墻通過環(huán)向凹凸榫槽及縱向凹凸榫槽進(jìn)行連接，環(huán)框底部約束主要為豎向支撐作用。在鄰近后續(xù)側(cè)墻的位置環(huán)框結(jié)構(gòu)為自由面。在此狀態(tài)下，依次吊裝拱頂結(jié)構(gòu)，該階段拱頂結(jié)構(gòu)自重均由環(huán)框結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載。該過程中，荷載增量為環(huán)框梁自重及頂板自重荷載。安裝階段環(huán)框結(jié)構(gòu)荷載模式如圖5所示。

圖5 安裝階段環(huán)框結(jié)構(gòu)荷載模式

2.2 覆土階段荷載模式

拱頂預(yù)制構(gòu)件拼裝完成后，整個(gè)車站結(jié)構(gòu)形成封閉的環(huán)形斷面。后續(xù)側(cè)墻及拱頂構(gòu)件可按標(biāo)準(zhǔn)環(huán)步序進(jìn)行后續(xù)構(gòu)件的拼裝，并對(duì)已拼裝成環(huán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行接縫灌漿。灌漿材料采用改性環(huán)氧漿液，要求具有較好的初黏度以及較長的初凝期，以便接縫灌注密實(shí); 同時(shí)要求注漿材料黏結(jié)強(qiáng)度高、膠體性能及耐老化性能強(qiáng)。通過對(duì)接縫的灌漿處理，拱頂構(gòu)件在縱向張拉鋼棒的預(yù)緊力作用下，縱向剛度增加，構(gòu)件不再是單塊的散體結(jié)構(gòu); 同時(shí),構(gòu)件拼裝、接縫注漿完成后，其整體剛度增加，出入口環(huán)處頂板結(jié)構(gòu)受前后頂板約束作用增強(qiáng)。另外，出入口環(huán)框結(jié)構(gòu)同頂板及前后側(cè)墻結(jié)構(gòu)的連接，尤其是環(huán)框結(jié)構(gòu)同頂板構(gòu)件通過凹凸榫的連接以及高強(qiáng)度灌漿材料的連接，具有較強(qiáng)的咬合力以及黏結(jié)力，沿車站縱向環(huán)框結(jié)構(gòu)和頂板構(gòu)件之間抗滑移能力增強(qiáng)，這將使環(huán)框結(jié)構(gòu)同頂板構(gòu)件形成整體，共同抵抗后續(xù)外部荷載。其結(jié)構(gòu)受力機(jī)制同僅考慮環(huán)框結(jié)構(gòu)承擔(dān)所有荷載的模式有所區(qū)別。先施作的環(huán)框結(jié)構(gòu)和后施作的頂板結(jié)構(gòu)，通過有效的連接方式形成整體共同承載。在該過程中，荷載增量為頂板及側(cè)墻區(qū)域水土壓力。覆土階段環(huán)框結(jié)構(gòu)荷載模式如圖6所示。

圖6 覆土階段環(huán)框結(jié)構(gòu)荷載模式

2.3 附屬結(jié)構(gòu)施工完成階段荷載模式

附屬結(jié)構(gòu)施工完成階段主要包括接環(huán)框的出入口結(jié)構(gòu)施作完成，并回填出入口上部土體。出入口環(huán)框需承擔(dān)因附屬土體回填引起的水土壓力?？紤]到出入口結(jié)構(gòu)同環(huán)框結(jié)構(gòu)是通過鋼筋接駁器鋼性連接，該階段環(huán)框結(jié)構(gòu)、頂板結(jié)構(gòu)及出入口結(jié)構(gòu)共同承載外部水土壓力。在該過程中，荷載增量為附屬結(jié)構(gòu)自重及其區(qū)域內(nèi)的水土壓力q3。

2.4 環(huán)框結(jié)構(gòu)受力模型分析

考慮環(huán)框結(jié)構(gòu)從施工過程到使用過程其結(jié)構(gòu)的邊界約束條件、整體剛度、外部荷載均存在變化，結(jié)構(gòu)計(jì)算采用增量法。下面對(duì)該計(jì)算模式進(jìn)行具體分析。

(1)

(2)

(3)

可以得出最后完成階段環(huán)框梁的總位移為：

x=x1+x2+x3。

(4)

3 環(huán)框結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 計(jì)算模型

MIDAS/GTS是一款主要模擬巖土工程與隧道工程的三維有限元分析軟件，通過激活單元可有效模擬施工階段的受力以及結(jié)構(gòu)剛度的變化[11]。采用MIDAS/GTS NX對(duì)環(huán)框結(jié)構(gòu)安裝環(huán)框梁、拼裝頂板、覆土回填、施作出入口及覆土回填4個(gè)不同施工階段進(jìn)行模擬，分析環(huán)框梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形的特點(diǎn)，同時(shí)分析在環(huán)框內(nèi)架設(shè)臨時(shí)豎向支撐工況對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，為設(shè)計(jì)方案提供理論支撐。

根據(jù)第2節(jié)所述情況，建立基于“荷載-結(jié)構(gòu)”模式的三維有限元計(jì)算模型如圖7所示。環(huán)框梁模型尺寸參照表1的實(shí)際尺寸，環(huán)框立柱與環(huán)框頂?shù)琢褐苓厴?gòu)件的接縫采用轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧、軸向彈簧和剪切彈簧單元進(jìn)行模型，根據(jù)文獻(xiàn)[1]選取接頭的剛度(分別為1.06×106 kN·m/rad,1.0×108 kN/m，7.57×107 kN/m)對(duì)環(huán)框結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行模擬。頂部荷載按頂部覆土3 m考慮。

圖7 結(jié)構(gòu)計(jì)算有限元模型

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過對(duì)預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)不同工況下的受力分析，得出預(yù)制環(huán)框的內(nèi)力如表2所示。圖8示出不設(shè)鋼支撐覆土回填工況下環(huán)框結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。計(jì)算結(jié)果表明，環(huán)框結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件為頂板橫梁結(jié)構(gòu)，其跨中、支座彎矩較大； 立柱彎矩僅在支座位置存在，沿立柱從上至下衰減較快，主要原因是環(huán)框前后側(cè)墻結(jié)構(gòu)對(duì)其縱向約束較強(qiáng)。

表2 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分析表(單環(huán)構(gòu)件)

(a) 彎矩圖(單位： kN·m)

(b) 軸力圖(單位： kN)

(c) 剪力圖(單位： kN)

圖9—11分別示出不同施工工況下環(huán)框結(jié)構(gòu)彎矩、位移的變化規(guī)律。結(jié)果表明，不設(shè)置臨時(shí)豎向鋼支撐方案下，環(huán)框梁在自重工況下彎矩較小，在施作頂板工況下，頂板與環(huán)框梁接縫注漿尚未完成，環(huán)框梁單獨(dú)承受頂板壓力，此時(shí)環(huán)框梁頂梁跨中彎矩和支座彎矩增量分別為1 273 kN·m和1 206 kN·m。在頂板覆土回填工況下，環(huán)框梁與頂板已形成整體結(jié)構(gòu)，二者共同承受結(jié)構(gòu)自重及頂板上部水土壓力，此時(shí)環(huán)框梁頂梁跨中彎矩和支座彎矩增量分別為397 kN·m和370 kN·m。在施作出入口并覆土回填工況下，跨中彎矩和支座彎矩增量分別為75 kN·m和70 kN·m。

設(shè)置鋼支撐方案下，設(shè)置鋼支撐的環(huán)框梁在自重工況下頂梁彎矩很小。在施作頂板工況下，頂板與環(huán)框梁接縫注漿尚未完成，環(huán)框梁與鋼支撐共同承受頂板荷載，此時(shí)環(huán)框梁頂梁跨中和支座彎矩增量分別為209 kN·m和227 kN·m。在頂板覆土回填工況下，環(huán)框梁、頂板及鋼支撐三者共同承受結(jié)構(gòu)自重及頂板上部水土壓力，此時(shí)環(huán)框梁頂梁跨中彎矩和支座彎矩增量均為67 kN·m，拆除鋼支撐工況下，彎矩增量為1 093 kN·m和979 kN·m。施作出入口并覆土回填工況下，跨中彎矩和支座彎矩增量分別為76 kN·m和70 kN·m。

圖9 環(huán)框梁跨中彎矩變化曲線

圖10 環(huán)框頂梁支座彎矩變化曲線

圖11 環(huán)框頂梁位移變化曲線

通過以上內(nèi)力變化分析可知： 環(huán)框梁與頂板形成整體以后，后期荷載增量導(dǎo)致環(huán)框梁彎矩增量較小。施工出入口階段豎向荷載增量導(dǎo)致環(huán)框梁彎矩增量較小(有鋼支撐工況下彎矩增加4%，無鋼支撐工況下彎矩增加5%)。設(shè)置鋼支撐避免了環(huán)框梁作為獨(dú)立結(jié)構(gòu)承擔(dān)施工過程中的全部荷載，由環(huán)框梁承擔(dān)的荷載較小。

對(duì)比環(huán)框梁有無鋼支撐的方案，發(fā)現(xiàn)在不設(shè)置鋼支撐方案下,當(dāng)施作頂板且頂板與環(huán)框梁接縫注漿尚未完成時(shí)，環(huán)框梁頂梁跨中及支座最大彎矩分別為1 397 kN·m和1 326 kN·m; 而設(shè)置了鋼支撐的方案下，該工況環(huán)框梁頂梁跨中及支座最大彎矩分別為226 kN·m和247 kN·m，彎矩減少了83%和81%。當(dāng)車站主體施作完成，覆土回填工況下,彎矩最大為293 kN·m和314 kN·m; 拆撐鋼支撐后，彎矩最大為1 386 kN·m和1 293 kN·m，彎矩有所增大，此時(shí)環(huán)框梁與頂板已澆筑為整體，滿足受力要求?？梢?，在環(huán)框梁中設(shè)置鋼支撐能夠很好地輔助環(huán)框梁抵抗頂板傳遞下來的荷載。由此可見，設(shè)置臨時(shí)鋼支撐措施能夠使環(huán)框結(jié)構(gòu)受力更趨合理。

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)出入口環(huán)框結(jié)構(gòu)施工階段及使用階段受力特性進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論。

1)出入口環(huán)框結(jié)構(gòu)存在3個(gè)主要受力階段： 施作頂板階段、榫槽注漿完成頂板覆土階段、附屬結(jié)構(gòu)施工完成階段。

2)出入口環(huán)框頂梁結(jié)構(gòu)受力是整個(gè)環(huán)框的重點(diǎn)，其跨中、支座彎矩較大。

3)環(huán)框結(jié)構(gòu)在施工階段獨(dú)立承載自重以及頂板自重荷載，該階段環(huán)框結(jié)構(gòu)受力占比較大，在后續(xù)工況中其內(nèi)力增加較小。

4)環(huán)框內(nèi)架設(shè)臨時(shí)支撐，能進(jìn)一步降低環(huán)框結(jié)構(gòu)施工階段獨(dú)立承載時(shí)間，可有效減小環(huán)框結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形。

裝配式車站出入口采用預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)，通過榫槽注漿環(huán)框與頂板形成結(jié)構(gòu)整體后，共同抵抗后續(xù)工況中各項(xiàng)荷載，可以滿足裝環(huán)框結(jié)構(gòu)在出入口段連續(xù)拼裝施工及長期使用各階段的受力要求。下一階段將結(jié)合環(huán)框結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工對(duì)受力及變形進(jìn)行監(jiān)測。