內(nèi)支撐體系下的裝配式地鐵車站輕量化設(shè)計

李良生 吳居洋

傳統(tǒng)現(xiàn)澆法施工地鐵車站需現(xiàn)場綁扎鋼筋和澆筑混凝土，施工期間勞動力需求大、現(xiàn)場作業(yè)條件差、施工質(zhì)量難以保證、對周邊環(huán)境影響大。為克服現(xiàn)澆法施工車站的弊端，提高地鐵車站施工的工業(yè)化水平，助力建筑行業(yè)實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”目標(biāo)，深圳地鐵3號線四期坪西站在國內(nèi)首次采用干式剛性連接的全預(yù)制裝配式車站。為進一步提高裝配式車站施工的便利性，節(jié)省混凝土用量，減輕預(yù)制構(gòu)件重量，降低車站生產(chǎn)過程中的碳排放量，對預(yù)制構(gòu)件進行了輕量化設(shè)計。

一、工程概況

坪西站總長度為222m，其中預(yù)制裝配段總長162m，為拱形無柱結(jié)構(gòu)。裝配式結(jié)構(gòu)斷面每環(huán)分為9塊預(yù)制構(gòu)件，單環(huán)縱向?qū)挾葹?m，環(huán)內(nèi)預(yù)制構(gòu)件采用C-H-C型鋼接頭連接，環(huán)間縱向采用新型的球頭柔性連接鎖連接，如圖1所示。

圖1 裝配式車站結(jié)構(gòu)斷面示意圖

二、初始結(jié)構(gòu)計算

1. 結(jié)構(gòu)有限元模型

建立主體結(jié)構(gòu)有限元幾何實體模型。對于接頭部位，建立C-H-C連接件有限元實體模型，采用H型鋼與C型鋼節(jié)點耦合來實現(xiàn)C-H-C接頭力的傳遞?；炷梁虲-H-C均采用SOLID95單元。不同構(gòu)件塊之間接觸面采用CONTAC174接觸單元連接。為模擬地基對結(jié)構(gòu)的作用，采用SURF154單元，單元剛度為77 MPa/m?；炷敛牧蠟镃50；C-H-C接頭鋼材的楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3。

2. 初始結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

計算考慮車站頂部覆土4m，地面超載20kPa，中間層荷載20kPa。土側(cè)壓力系數(shù)0.5?？紤]高水位和低水位兩種荷載工況。

在高水位荷載作用下：結(jié)構(gòu)下部側(cè)墻沿X方向向外張開，最大位移位于BC塊構(gòu)件連接處，約為6.3mm；沿Y方向，最大變形發(fā)生在底部構(gòu)件的跨中部位，約為25mm；頂部構(gòu)件變形約10 mm。

在低水位荷載作用下：結(jié)構(gòu)側(cè)墻整體沿X方向向兩側(cè)張開（側(cè)移），最大位移達5 mm；同時，沿Y方向，頂部構(gòu)件跨中最大變形為16 mm；底部結(jié)構(gòu)變形接近0。

對比兩種荷載工況可知，在高水位工況下，由于兩側(cè)水土壓力荷載大，限制了結(jié)構(gòu)頂部的側(cè)向變形，從而限制了結(jié)構(gòu)頂部的豎向位移；但在高水位工況下，底部結(jié)構(gòu)受水壓力作用會產(chǎn)生向上的變形。

三、輕量化設(shè)計影響分析

1. 不同壁厚研究

為便于構(gòu)件運輸安裝，提高裝配效率，需對構(gòu)件進行輕量化設(shè)計，在構(gòu)件受力較小的位置設(shè)置空腔。空腔大小和空腔間壁厚密切相關(guān)，如圖2所示，降低壁厚會降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件的軸向剛度和抗彎剛度，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，但同時會降低結(jié)構(gòu)的自重，降低由自重引起的內(nèi)力。

圖2 空腔壁厚平面示意圖

通過建立實體有限元模型，研究不同壁厚情況下裝配車站整體結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的工作性能，空腔間壁厚布置方案如表1所示。

表1 空腔優(yōu)化工況表

根據(jù)空腔優(yōu)化工況，確定輕量化設(shè)計影響的研究內(nèi)容和目標(biāo)如下：

（1）研究壁厚降低對結(jié)構(gòu)整體變形的影響，分析縱向壁厚和面內(nèi)變形特征和變形規(guī)律；

（2）研究車站標(biāo)準(zhǔn)斷面在不同面內(nèi)空腔壁厚和縱向空腔壁厚下的應(yīng)力整體分布特征，分析對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件和關(guān)鍵截面應(yīng)力分布影響規(guī)律；

（3）根據(jù)在高水位和低水位荷載作用下各結(jié)構(gòu)整體位移和各構(gòu)件應(yīng)力分布特征、應(yīng)力幅值變化，給出裝配式結(jié)構(gòu)各個構(gòu)件的壁厚優(yōu)化建議。

2. 壁厚變化對結(jié)構(gòu)位移的影響

以頂部跨中位移為例，圖3給出了面內(nèi)壁厚分別為初始壁厚1.0、0.9、0.8時結(jié)構(gòu)沿X方向的收斂和沿Y方向的位移。由圖3可知，降低面內(nèi)空腔壁厚會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)沿X方向和Y方向的位移變大。降低面內(nèi)空腔壁厚使X方向的變形在高水位荷載作用下增大1.4 mm（21%）；荷載作用時可使Y方向上（高水位，底部）的變形增大2.5 mm（9%）；低水位時，壁厚降低至0.8，變形增大1.1 mm（9.7%）；可見，降低面內(nèi)空腔壁厚會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形增大。

圖3 面內(nèi)壁厚對裝配式結(jié)構(gòu)整體變形的影響（頂部跨中位移）

以頂部跨中位移為例，圖4給出了改變縱向空腔壁厚時結(jié)構(gòu)的形變變化。在低水位情況下，當(dāng)縱向腔壁厚度由300 mm降低至200 mm時，結(jié)構(gòu)X方向上的位移增大約為0.8 mm （26%），結(jié)構(gòu)頂部跨中Y方向的變形增大2 mm（12%）。高水位情況下，降低壁厚導(dǎo)致結(jié)構(gòu)X方向增大2.0 mm（28%），跨中底部Y方向位移增大3.5 mm（12%）。可見，增加縱向腔壁厚度可降低結(jié)構(gòu)在X方向和Y方向上的變形。

圖4 縱向壁厚對裝配式結(jié)構(gòu)整體變形的影響（頂部跨中位移）

3. 壁厚變化對構(gòu)件受力的影響

以形狀較復(fù)雜的C塊構(gòu)件為例，研究構(gòu)件壁厚改變對構(gòu)件應(yīng)力變化的影響。其余構(gòu)件的研究思路及研究結(jié)論與C塊類似。

圖5分別給出了面內(nèi)壁厚改變時C塊構(gòu)件在低水位荷載作用下沿X方向上的應(yīng)力分布。由圖5可知，C塊構(gòu)件中X方向最大壓應(yīng)力約為10 MPa，最大拉應(yīng)力約為6 MPa。在C塊構(gòu)件與D塊構(gòu)件連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，主要是由于其接近直角的幾何形狀所致；此外，在C-H-C接口處應(yīng)力集中現(xiàn)象也比較明顯。壁厚降低，最大應(yīng)力幅值基本不變。在高水位工況下，壁厚改變引起的構(gòu)件應(yīng)力分布變化規(guī)律類似。

圖5 面內(nèi)壁厚對構(gòu)件C在X方向應(yīng)力的影響（低水位，壁厚/初始壁厚=0.8）

圖6給出了縱向壁厚改變時C塊構(gòu)件在低水位荷載作用下沿X方向上的應(yīng)力分布。由圖6可知，低水位荷載作用下，構(gòu)件C在X方向上的最大拉應(yīng)力約為6 MPa，Y方向壓應(yīng)力約為10 MPa （C-H-C附近）。低水位荷載作用下比高水位荷載作用下的壓應(yīng)力降低2 MPa。對比發(fā)現(xiàn)，壁厚變化時，最大應(yīng)力幅值基本保持不變，分布影響較小。在高水位工況下，壁厚改變引起的構(gòu)件應(yīng)力分布變化規(guī)律類似。

圖6 縱向壁厚對構(gòu)件C在X方向應(yīng)力的影響（低水位，縱向壁厚=250 mm）

四、應(yīng)用情況

根據(jù)前述研究結(jié)果，確定裝配式車站預(yù)制構(gòu)件面內(nèi)空腔壁厚為250mm，縱向空腔壁厚為300mm，空腔可采用發(fā)泡混凝土、內(nèi)置木模、輕質(zhì)泡沫等方式實現(xiàn)。同時根據(jù)構(gòu)件應(yīng)力分布情況，對應(yīng)力集中部位進行局部加強構(gòu)造鋼筋布置。相關(guān)研究成果應(yīng)用于深圳地鐵3號線四期坪西站。通過設(shè)置空腔進行輕量化設(shè)計，坪西站每塊預(yù)制構(gòu)件重量降低15%～22%，最大預(yù)制構(gòu)件F塊重量僅為49.18t，提高了預(yù)制構(gòu)件吊裝、運輸、拼裝的靈活性和便利性。坪西站于2021年8月啟動預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)，2022年9月完成車站預(yù)制裝配段拼裝，經(jīng)過輕量化設(shè)計的空腔構(gòu)件工作性能良好。

五、結(jié)語

經(jīng)分析得出以下結(jié)論：

（1）高水位荷載作用下，結(jié)構(gòu)底部、頂部跨中和側(cè)墻端部（結(jié)構(gòu)四個角點附近）應(yīng)力較大，結(jié)構(gòu)底部構(gòu)件跨中截面的上側(cè)受拉，下側(cè)受壓；上部構(gòu)件則相反；低水位荷載情況下，結(jié)構(gòu)頂部變形較高水位情況大，兩者之間的差值約在6 mm左右。與低水位荷載作用相比，高水位荷載作用下底部構(gòu)件變形較大。

（2）降低面內(nèi)空腔壁厚和縱向空腔壁厚不會改變結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面位置，未發(fā)生新增局部孔壁應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（3）降低面內(nèi)空腔壁厚會增大結(jié)構(gòu)在X方向和Y方向上的變形，Y方向增大比例10%左右，X方向增大比例較大，在21%～28%。

（4）在本研究中，雖然空腔壁厚的降低未改變結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的位置，但是仍應(yīng)配置充足的構(gòu)造筋，限制構(gòu)件中裂縫的出現(xiàn)，使構(gòu)件受力均勻。同時，壁厚降低引起應(yīng)力增加，需要增加配筋。

本文對裝配式車站預(yù)制構(gòu)件進行輕量化設(shè)計，在保證預(yù)制構(gòu)件工作性能的同時，能有效節(jié)省混凝土材料用量，減輕預(yù)制構(gòu)件重量，提高裝配式車站施工的便利性。研究結(jié)果在深圳地鐵3號線四期坪西站的成功應(yīng)用，為后續(xù)同類工程的實施提供了有益參考。