預(yù)制裝配式地鐵車站單環(huán)結(jié)構(gòu)受力變形特性分析

王有權(quán)

（中鐵三局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 102300）

隨著全國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，人口的快速增長所導(dǎo)致的生活空間擁擠、交通線路堵塞、生存環(huán)境惡化等問題日益嚴(yán)重，這加快了城市地下空間工程開發(fā)利用的步伐，地下空間工程的開發(fā)與利用已成為城市現(xiàn)代化的主要標(biāo)志。在我國，長春、青島、廣州和深圳等地區(qū)相繼展開裝配式地鐵車站的研究和建設(shè)，至今已有多座車站建成并投入運(yùn)營[1]。相較于傳統(tǒng)整體現(xiàn)澆工藝的車站，局部預(yù)制裝配式地鐵車站因結(jié)構(gòu)形式的變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受力出現(xiàn)變化[2]。因而研究局部預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、保證結(jié)構(gòu)安全的前提。楊秀仁等[3-4]通過研究裝配式車站的連接節(jié)點(diǎn)特性，分析裝配式車站不同的結(jié)構(gòu)方案。丁鵬等[5]對比分析了預(yù)制裝配式地鐵車站單環(huán)結(jié)構(gòu)在不同結(jié)構(gòu)形式及支撐條件下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形特性。蔣盛鋼等[6]通過研究不同連接節(jié)點(diǎn)模式對預(yù)制裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)性能的影響，對比研究了不同鉸接方案在不同荷載模式下的內(nèi)力響應(yīng)與結(jié)構(gòu)變形。吳居洋等[7]研究了裝配式結(jié)構(gòu)分塊的接頭位置，比選了不同的結(jié)構(gòu)分塊方案。

以青島市某地鐵線路預(yù)制裝配式地鐵車站城子站為背景，運(yùn)用有限元模擬軟件，采用軟件的實(shí)體單元和固接、鉸接等約束條件，建立單環(huán)帶有封閉空腔三維結(jié)構(gòu)模型，研究局部預(yù)制裝配式地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)環(huán)結(jié)構(gòu)的的受力與變形。

1 工程概況

青島市某地鐵線路裝配式地鐵車站為地下二層島式車站。車站有效站臺寬13 m，車站總長210 m。標(biāo)準(zhǔn)段寬23.3 m，該車站為單拱大跨預(yù)制裝配式地鐵車站，該車站長210 m，軌面埋深約17.50 m，覆土厚度3.08～4.00 m，站臺寬11 m。該車站結(jié)構(gòu)縱向設(shè)置為2 m/環(huán)，預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)環(huán)每環(huán)分為5 塊，塊體分類為頂板A、側(cè)墻-左B、側(cè)墻-右C、底板D 和中板E，其中底板D 塊屬于現(xiàn)澆段，由于該裝配式地鐵車站屬于局部預(yù)制結(jié)構(gòu)，整個車站首先將底板全部現(xiàn)澆成一體，然后進(jìn)行一環(huán)側(cè)墻、中板、頂板拼裝，當(dāng)一環(huán)拼裝完成后，進(jìn)行下一環(huán)的拼裝，環(huán)環(huán)類推，最終形成整個車站主體。預(yù)制構(gòu)件環(huán)與環(huán)之間采用通縫拼裝，各塊之間也采用通縫拼裝，為減輕結(jié)構(gòu)自重，每塊構(gòu)件內(nèi)部設(shè)置封閉式空腔，頂板與側(cè)墻、側(cè)墻與底板之間采用榫槽連接并加注固化漿液。該車站單環(huán)結(jié)構(gòu)預(yù)制襯砌分塊情況如圖1 所示。

圖1 車站單環(huán)結(jié)構(gòu)預(yù)制襯砌分塊圖

由于單環(huán)結(jié)構(gòu)是整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，單環(huán)結(jié)構(gòu)的受力和變形情況決定了車站整體結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣，基于此，本文重點(diǎn)對單環(huán)結(jié)構(gòu)拼裝成環(huán)后的受力與變形機(jī)理進(jìn)行研究。

2 數(shù)值計算模型建立

本次模擬采用的計算模型是荷載-結(jié)構(gòu)模型，該模型各分塊均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，單環(huán)結(jié)構(gòu)模型實(shí)體示意圖如圖2 所示，各分塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2 單環(huán)結(jié)構(gòu)模型實(shí)體示意圖

圖3 單環(huán)結(jié)構(gòu)模型各分塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 屬性、材料及主要參數(shù)

裝配式塊體中，頂板A、側(cè)墻-左B、側(cè)墻-右C 和底板D 均采用C50 混凝土，中板E 采用C45 混凝土，材料參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)材料、屬性參數(shù)

2.2 邊界及約束條件

將車站結(jié)構(gòu)視為彈性地基上一次整體受力的框架進(jìn)行內(nèi)力分析，由于底板屬于現(xiàn)澆施工，因此采用固接來模擬底板的邊界約束；由于分塊之間采用凹凸榫槽通過銷位孔進(jìn)行連接固定，因此用鉸接約束模擬裝配式分塊之間的連接；由于該車站基坑與車站結(jié)構(gòu)之間采用肥槽回填素混凝土，因此用固定約束來模擬該車站側(cè)向邊界，整體約束條件見表2，整體模型施加約束示意圖如圖4 所示。

表2 邊界及約束條件

圖4 單環(huán)結(jié)構(gòu)模型施加約束示意圖

2.3 荷載施加

根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》，考慮作用在地鐵車站結(jié)構(gòu)上的永久荷載和可變荷載。

1）結(jié)構(gòu)自重：由有限元軟件自動計算。

2）覆土荷載：上部覆土為素填土，重度γ=20 kN/m3，覆土厚度為4 m，荷載為4×20＝80 kN/m2。

3）墊層混凝土荷載：其荷載近似簡化為中部46.25 kN/m2；兩端30 kN/m2。

4）可變荷載：人群荷載取4 kN/m2，設(shè)備荷載取8 kN/m2，地面超載取20 kN/m2。

該單環(huán)結(jié)構(gòu)模型荷載施加示意圖如圖5 所示，整體模型運(yùn)行示意圖如圖6 所示，榫槽連接節(jié)點(diǎn)位置A約束細(xì)部圖如圖7 所示。

圖5 單環(huán)結(jié)構(gòu)模型荷載施加示意圖

圖6 單環(huán)結(jié)構(gòu)整體模型運(yùn)行示意圖

圖7 榫槽連接位置約束細(xì)部圖

3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形特性分析

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)特性，分別提取結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力及相對位置進(jìn)行分析，現(xiàn)給出單環(huán)結(jié)構(gòu)模型S-XX應(yīng)力結(jié)果云圖如圖8 所示。

圖8 單環(huán)結(jié)構(gòu)模型S-XX 應(yīng)力結(jié)果云圖

該結(jié)構(gòu)在X方向應(yīng)力結(jié)果中出現(xiàn)應(yīng)力集中，位置在中板兩端與側(cè)墻連接部位，應(yīng)力從中板兩側(cè)向中間逐漸減小，其中最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在中板與側(cè)墻連接部位上表面，約為18.6 MPa；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在中板與側(cè)墻連接部位下表面，約為23.4 MPa。該裝配式單環(huán)結(jié)構(gòu)模型最大主應(yīng)力均未超過規(guī)范限值[8]（C50 混凝土規(guī)范限值）。

單環(huán)結(jié)構(gòu)模型S-YY 應(yīng)力結(jié)果云圖如圖9 所示。

圖9 單環(huán)結(jié)構(gòu)模型S-YY 應(yīng)力結(jié)果云圖

該結(jié)構(gòu)在Y方向應(yīng)力結(jié)果中同樣出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中位置、最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力位置與X方向應(yīng)力一樣。其中最大拉應(yīng)力約為3.1 MPa，最大壓應(yīng)力約為4.3 MPa。

3.2 結(jié)構(gòu)沉降位移分析

從該模型位移模擬結(jié)果中對總位移、橫向位移、豎向位移均進(jìn)行分析。

單環(huán)結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)總沉降位移云圖如圖10 所示。

圖10 單環(huán)結(jié)構(gòu)模型總沉降位移結(jié)果云圖

中板跨中位置向兩側(cè)逐漸減小，直至為0。側(cè)墻與底板均沒有位移變形，頂板有較小的位移變形，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是底板屬于現(xiàn)澆施工，側(cè)墻與基坑之間的肥槽回填采用素混凝土施工，因此在有限元軟件中均采用固定的邊界約束來模擬實(shí)際施工條件。

單環(huán)結(jié)構(gòu)模型橫向位移TX 結(jié)果云圖如圖11 所示。

圖11 單環(huán)結(jié)構(gòu)模型橫向位移結(jié)果TX

該結(jié)構(gòu)橫向位移在中板左側(cè)部分上表面出現(xiàn)最大值隆起，在中板右側(cè)上表面出現(xiàn)最大值沉降，隆起最大值約為1.14 mm，沉降最大值約為1.14 mm。頂板位置出現(xiàn)較小的沉降和隆起。

單環(huán)結(jié)構(gòu)模型橫向位移TY 結(jié)果云圖如圖12 所示。

圖12 單環(huán)結(jié)構(gòu)模型豎向位移結(jié)果TY

該結(jié)構(gòu)豎向位移在中板跨中、兩側(cè)及頂板跨中位置均出現(xiàn)較大隆起，在中板跨中、兩側(cè)也出現(xiàn)較大沉降，隆起最大值約為0.06 mm，沉降最大值約為0.06 mm。

考慮車站凈寬210 m，依據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中變形限制條件l/200=105 mm（l為計算跨度），結(jié)構(gòu)的變形在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

針對青島市某地鐵線路預(yù)制裝配式地鐵車站工程，通過建立該車站單環(huán)結(jié)構(gòu)三維模型，運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究分析單環(huán)結(jié)構(gòu)在正常使用荷載作用下的應(yīng)力和變形，得到以下幾條結(jié)論。

1）該車站單環(huán)結(jié)構(gòu)模型應(yīng)力結(jié)果總是在中板與側(cè)墻連接節(jié)點(diǎn)位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大拉、壓應(yīng)力也在此處。

2）該車站單環(huán)結(jié)構(gòu)模型位移結(jié)果總是在中板出現(xiàn)最大沉降與隆起值。

3）無論是應(yīng)力結(jié)果還是位移結(jié)果，都在規(guī)范允許范圍內(nèi)，滿足要求，驗(yàn)證了該裝配式車站單環(huán)結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。