軌道交通地下車站裝配式二次結(jié)構(gòu)抗震性能研究

鄒振興

（福州地鐵集團有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

隨著交通基礎設施建設產(chǎn)業(yè)的升級，預制裝配技術將成為主要的發(fā)展方向[1-2]，并在鐵道建設工程中得到廣泛應用。然而，相較于地上建筑結(jié)構(gòu)裝配式施工，地下工程結(jié)構(gòu)預制裝配技術理論與設計方法都不夠完善。

采用預制構(gòu)件可以提高地鐵工程施工的工業(yè)化程度，尤其是能明顯改善地鐵工程的施工環(huán)境[3-5]。雖然國內(nèi)已開展了地鐵車站裝配式結(jié)構(gòu)相關的研究和實踐，但對車站內(nèi)二次結(jié)構(gòu)的預制裝配構(gòu)件研究還處于起步階段，如地鐵風道預制技術，國內(nèi)外地鐵均無中板與下掛梁全預制的風道先例可循。另外，地鐵車站樓梯、站臺方面的實踐亦較為少見。

本文將結(jié)合有限元軟件，對車站二次結(jié)構(gòu)采用預制裝配式構(gòu)件進行研究，分析地震荷載作用下預制裝配式結(jié)構(gòu)抗震性能的薄弱點，找到預制二次構(gòu)件的易損部位，為地下車站裝配式二次結(jié)構(gòu)設計和施工提供參考[6-8]。

1 地鐵車站裝配式二次結(jié)構(gòu)工程概況

某軌道交通車站為地下2 層島式（局部3 層），車站主體凈長593.2m，標準段寬度為20.1m，車站設4 個出入口、3 個風亭和6 個物業(yè)出入口，采用明挖順做法施工，見圖1。

圖1 軌道交通某車站平面布置圖

該站軌頂風道、站臺板、樓梯等二次構(gòu)件均采用預制拼裝技術進行施工。預制構(gòu)件包括3部分：預制軌頂風道、預制站臺板、預制樓梯。預制構(gòu)件混凝土強度等級為C40，混凝土方量為379m3，其中預制軌頂風道 87.1m3+57.7m3 （RPC），預制站臺板 142.6m3+74m3（RPC），預制樓梯12.6m3+5m3（RPC）。

2 構(gòu)件預制方案

2.1 預制軌頂風道方案

軌道風道預制范圍為54.4m，采用標準風道，寬度為1m，材料選擇C40 混凝土、RPC 混凝土，主體預埋?50 無縫鋼管，采用“吊桿+雙螺母”連接方式，吊點為6個標準塊，見圖2。

圖2 預制軌頂風道方案（單位：cm）

2.2 預制站臺板和樓梯方案

站臺板預制范圍為40.8m，采用標準站臺（含1 個扶梯坑），標準寬度為1.77/1.855m，地板頂預留限位槽，支座采用限位槽、塊間采用2/3 個螺栓連接；樓梯位于12～14 軸，尺寸為0.3m×2.1m，預制塊之間采用通脹螺栓連接固定，見圖3。

圖3 預制站臺板和樓梯方案（單位：cm）

3 裝配式構(gòu)件模型解析

裝配式軌頂風道采用預制鋼筋混凝土構(gòu)件進行拼裝，懸掛于車站中板和結(jié)構(gòu)側(cè)墻交接位置；軌頂風道包含112 件拼裝構(gòu)件。樓梯包含4 件拼裝構(gòu)件；站臺板采用門式預制鋼筋混凝土構(gòu)件進行拼裝，包含96 件拼裝構(gòu)件。構(gòu)件的數(shù)值模型見圖4。另外，預制二次結(jié)構(gòu)（軌頂風道、樓梯、站臺板）構(gòu)件混凝土等級為C40，保護層厚度為30mm，配筋如表1所示，材料參數(shù)如表2所示。構(gòu)件采用實體單元模擬，鋼筋采用可與實體網(wǎng)格自動耦合的鋼筋單元，考慮墊塊、螺母、混凝土之間的接觸，鋼材間界面摩擦因子取0.45，混凝土與鋼材界面摩擦因子取0.60，且鋼材與混凝土體界面考慮黏結(jié)滑移特性。為分析運營期軌頂風道、樓梯、站臺板的力學性能，施加1.2kN/m2的風壓荷載、2kN/m2的內(nèi)部檢修荷載于裝配式軌頂風道、站臺板，施加4kN/m2的人群荷載于樓梯。

表1 預制部件配筋表

表2 材料參數(shù)表

圖4 研究構(gòu)件數(shù)值模型

4 抗震性能分析

4.1 時程分析法

對某軌道交通車站中的預制二次結(jié)構(gòu)（軌頂風道、樓梯、站臺）進行抗震性能分析，對構(gòu)件模型施加地震加速度，采用時程分析法分析。地震波波形如圖5所示。

圖5 地震波波形圖

4.2 地震作用下預制軌頂風道變形情況

圖6、圖7分別為地震作用下裝配式軌頂風道水平、豎向變形圖。圖8 為軌頂風道應力分布圖。從圖6 可見，最大水平變形（0.02mm）位于風道高墻底部位置，變形由高墻底部向上側(cè)逐漸遞減呈帶狀分布。圖7為地震作用下裝配式軌頂風道豎向變形圖。由圖7可見，最大豎向變形（-0.008mm）位于風道底部位置，變形程度由底板向兩側(cè)高低墻逐漸遞減。預制風道在地震作用下變形較小，且變形分布均勻。由圖8可見，軌頂風道受拉應力作用，應力呈對稱分布且自中間向兩側(cè)遞減，最大拉應力為1.45MPa，小于所采用混凝土的抗拉強度。另外，鋼管灌漿連接處和拼接接觸面應力較大、出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，最大拉應力位于鋼管灌漿連接邊緣位置。因此，地震對裝配式軌頂風道力學性能影響較小，可以滿足使用安全要求。

圖6 水平變形

圖7 豎向變形

圖8 軌頂風道應力分布圖

4.3 地震作用下預制樓梯變形情況

圖9、圖10 分別為地震作用下裝配式樓梯水平變形、豎向變形圖。由圖9可見，預制樓梯最大水平變形（-0.112mm）出現(xiàn)在樓梯板跨中位置，變形程度由梯段跨中向兩側(cè)逐漸遞減。由圖10 可見，最大豎向變形（0.2mm）出現(xiàn)在樓梯板跨中位置，變形程度由梯段跨中向兩側(cè)逐漸遞減。預制樓梯在地震作用下變形較小，且變形分布較為均勻。另外，樓梯跨中和連接處應力較大，出現(xiàn)應力集中，最大拉應力位于上跨跨中，但遠小于所采用混凝土的抗拉強度。鋼筋螺栓最大應力位于螺栓中部，遠小于螺栓抗拉強度。灌漿料所受拉應力較小，底部拉應力最大，但仍低于C40 級灌漿料抗拉強度。因此，地震對裝配式樓梯力學性能的影響較小，可以滿足使用安全要求。

圖9 水平變形

圖10 豎向變形

4.4 地震作用下預制站臺變形圖

圖11、圖12 分別為地震作用下裝配式站臺的水平變形、豎向變化圖。由圖11 可見，預制站臺板最大水平變形（1.30×10-6mm）位于門式構(gòu)件承托位置，變形程度由預制站臺頂部向底部逐漸遞減。由圖12 可見，最大豎向變形（6×10-6mm）位于站臺板跨中位置，變形由站臺板跨中向兩側(cè)逐漸遞減呈帶狀分布。預制站臺在地震作用下變形較小，且變形分布均勻。另外，站臺板跨中和連接處應力較大，出現(xiàn)應力集中，最大拉應力位于連接處，但遠小于所采用混凝土的抗拉強度和螺栓抗拉強度。因此，地震對裝配式站臺板力學性能影響較小，可以滿足使用安全要求。

圖11 水平變形

圖12 豎向變形

5 結(jié)論

（1）地震荷載作用下，地鐵車站中預制二次構(gòu)件應力集中現(xiàn)象多出現(xiàn)于螺栓洞口、拼接接觸面位置，預制軌頂風道、預制樓梯、預制站臺的應力最大值均小于C40混凝土的屈服強度。

（2）預制結(jié)構(gòu)連接中所使用的螺栓、灌漿料應力值均遠小于其屈服強度，預制構(gòu)件連接節(jié)點在地震作用下不會因地震荷載作用而破壞。

（3）根據(jù)本節(jié)所建模型計算結(jié)果可知，在地震荷載作用下預制二次構(gòu)件不會先于地鐵車站主體破壞。