裝配式地鐵車站與同型現(xiàn)澆地鐵車站承載特性對(duì)比研究

摘" 要：裝配式地鐵車站能夠有效解決傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工方法所帶來的效率低下和環(huán)境污染等問題。以青島市某地鐵線路預(yù)制裝配式地鐵車站為背景，建立整體現(xiàn)澆、局部預(yù)制與全部預(yù)制結(jié)構(gòu)地鐵車站的三維有限元模型，對(duì)比分析3種結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。結(jié)果表明，三者整體應(yīng)力與變形分布規(guī)律大體一致，裝配式結(jié)構(gòu)變形程度輕于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，尤其是中柱部分，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)變形更明顯。因此，采用裝配式結(jié)構(gòu)不僅比整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)有更好的承載能力，還能有效減小結(jié)構(gòu)中柱變形，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，驗(yàn)證裝配式車站預(yù)制結(jié)構(gòu)使用的優(yōu)越性與安全性。研究結(jié)果可為裝配式地鐵車站安全使用提供參考。

關(guān)鍵詞：裝配式結(jié)構(gòu)；地鐵車站；數(shù)值模擬；承載特性；對(duì)比研究

中圖分類號(hào)：U231.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）07-0093-04

裝配式地鐵車站具有安全性高、對(duì)周邊環(huán)境影響較小的優(yōu)勢(shì)，可以解決傳統(tǒng)現(xiàn)澆地鐵車站的諸多弊端[1-4]，因此研究裝配式地鐵車站在正常承載時(shí)的受力特性十分重要。

目前，已有不少學(xué)者對(duì)裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)展開了一系列研究。Ding等[5]、丁鵬等[6]為研究預(yù)制裝配式地鐵車站單環(huán)結(jié)構(gòu)傳力與變形機(jī)理，建立不同結(jié)構(gòu)形式與鋼絲杠支撐組合工況，結(jié)果表明鋼絲杠可有效限制結(jié)構(gòu)水平和豎直位移；陶連金等[7]通過有限元軟件針對(duì)長春地鐵袁家店裝配式地鐵車站在拼裝成環(huán)后對(duì)不同支撐條件工況下結(jié)構(gòu)整體受力和接頭受力變形情況進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明有支撐條件下能夠提高拼裝精度、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；彭智勇等[8]對(duì)預(yù)制裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)的施工全過程展開分析，驗(yàn)證了裝配式結(jié)構(gòu)施工安全性；楊秀仁等[9-10]通過研究裝配式車站預(yù)制拼裝后連接節(jié)點(diǎn)受力特性，分析裝配式車站不同結(jié)構(gòu)方案下注漿式榫槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。以上研究雖然涉及裝配式地鐵車站各個(gè)方面，但是很少有關(guān)于裝配式車站建成后進(jìn)行承載受力特性的研究。

以青島市某地鐵線路預(yù)制裝配式地鐵車站為背景，運(yùn)用有限元模擬軟件，建立整體現(xiàn)澆、局部預(yù)制與全部預(yù)制三維地鐵車站整體結(jié)構(gòu)模型，對(duì)比分析正常加載條件下3種情況的應(yīng)力和變形特點(diǎn)，研究結(jié)果證明了裝配式地鐵車站的安全性與優(yōu)越性。

1" 工程概況

青島市某地鐵線路裝配式地鐵車站為單拱大跨局部預(yù)制裝配式地鐵車站，該車站長210 m，主體結(jié)構(gòu)主要由標(biāo)準(zhǔn)段與非標(biāo)準(zhǔn)段（開口環(huán)處）構(gòu)成，如圖1所示。該車站存在中間立柱，立柱間距為8 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4塊，塊體分類為頂板、側(cè)墻-左、側(cè)墻-右和中板，其中底板塊屬于現(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(gè)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、中板和頂板拼裝，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(gè)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。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。預(yù)制構(gòu)件采用閉腔薄壁構(gòu)件。

2" 數(shù)值計(jì)算模型建立

本次模擬采用的計(jì)算模型是荷載-結(jié)構(gòu)模型，模型各部分均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，對(duì)于車站整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)采用C50混凝土；對(duì)于裝配式車站局部預(yù)制結(jié)構(gòu)，材料選用見表1；對(duì)于裝配式車站全部預(yù)制整體結(jié)構(gòu)，材料選用與局部預(yù)制整體結(jié)構(gòu)相同。裝配式車站局部預(yù)制結(jié)構(gòu)與全部預(yù)制結(jié)構(gòu)模型中預(yù)制構(gòu)件均采用閉腔薄壁進(jìn)行模擬分析。模型網(wǎng)格劃分示意圖如圖2所示。

3" 結(jié)果分析

由于3種結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)力結(jié)果云圖中頂板與中板的應(yīng)力與變形較明顯，因此選取頂板與中板2部分作為觀測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)象如圖3所示。

3.1" 應(yīng)力結(jié)果分析

現(xiàn)給出車站整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)、裝配式車站局部預(yù)制結(jié)構(gòu)與全部預(yù)制結(jié)構(gòu)模型水平應(yīng)力結(jié)果云圖如圖4所示。根據(jù)應(yīng)力結(jié)果云圖做出3種結(jié)構(gòu)下的頂板與中板應(yīng)力結(jié)果曲線對(duì)比圖如圖5所示。

從圖4可以看出，3種車站均在中板與側(cè)墻連接位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，主要是由結(jié)構(gòu)斷面形式變化和網(wǎng)格質(zhì)量引起，該位置也是最大拉應(yīng)力所在位置，在中板中部也出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，其中整體現(xiàn)澆最大拉應(yīng)力值約為9.37 MPa，最大壓應(yīng)力值約為12.35 MPa；局部預(yù)制最大拉應(yīng)力值約為19.93 MPa，與整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相差不大；最大壓應(yīng)力值約為0.08 MPa，較整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)降低了18.38%；全部預(yù)制結(jié)構(gòu)與局部預(yù)制結(jié)構(gòu)基本相同，兩者應(yīng)力值基本相當(dāng)。

由圖5可以看出，在正常加載條件下，三者頂板外側(cè)應(yīng)力呈現(xiàn)出中間受壓、兩端受拉的現(xiàn)象，應(yīng)力分布規(guī)律大體一致，呈“M”型分布；中柱支撐的存在使得中板的應(yīng)力分布發(fā)生改變，從中板中部向兩端呈現(xiàn)出拉—壓—拉的分布規(guī)律，三者中板應(yīng)力分布規(guī)律大體一致。相比之下，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)值比整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)較小，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)更具有優(yōu)勢(shì)。

3.2" 變形結(jié)果分析

車站整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)、裝配式車站局部預(yù)制結(jié)構(gòu)與全部預(yù)制結(jié)構(gòu)模型的總位移分布云圖如圖6所示。根據(jù)結(jié)果云圖做出3種結(jié)構(gòu)下的頂部、中板總位移變形對(duì)比曲線圖如圖7所示。

由圖6可以看出，3種車站結(jié)構(gòu)均在頂板出現(xiàn)較大變形，由頂板中部向兩側(cè)逐漸減小，整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)最大變形約為17 mm，局部預(yù)制結(jié)構(gòu)最大變形約為6.62 mm，較整體結(jié)構(gòu)最大變形值減小了61.06%，但區(qū)別于整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中柱幾乎無變形。全部預(yù)制結(jié)構(gòu)變形出現(xiàn)位置與局部預(yù)制結(jié)構(gòu)一致，在數(shù)值上有較小區(qū)別。

由圖7可以看出，在正常加載條件下，3種結(jié)構(gòu)的頂板總位移變形程度均呈現(xiàn)中部最大，由中間向兩側(cè)逐漸減小的規(guī)律，有且僅有一個(gè)峰值出現(xiàn)，且三者變形程度基本相當(dāng)；3種結(jié)構(gòu)的中板變形均出現(xiàn)2個(gè)峰值，中板變形規(guī)律一致，數(shù)值相差不大。另外整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中柱有變形，而裝配式結(jié)構(gòu)幾乎沒有變形。由此可見，采用裝配式結(jié)構(gòu)不僅比整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)有更好的承載能力，還能有效減小結(jié)構(gòu)中柱變形，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

4" 結(jié)論

以青島市某地鐵線路預(yù)制裝配式地鐵車站工程為背景，運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析3種車站結(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）在相同加載條件下，三者應(yīng)力分布規(guī)律大體一致，相比之下，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)值比整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)較小，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)更具有優(yōu)勢(shì)。

2）3種結(jié)構(gòu)變形規(guī)律基本一致，裝配式結(jié)構(gòu)整體變形程度輕于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，尤其是中柱部分，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)變形更明顯。因此在變形方面，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)沉降更小，該結(jié)構(gòu)更安全。

3）采用裝配式結(jié)構(gòu)不僅比整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)有更好的承載能力，還能加快施工進(jìn)度，且有效減小結(jié)構(gòu)中柱變形，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，驗(yàn)證了裝配式車站預(yù)制結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性與安全性。

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Abstract： Prefabricated subway stations can effectively solve the problems of low efficiency and environmental pollution caused by traditional cast-in-place construction methods. Based on the prefabricated subway station of a subway line in Qingdao， a three-dimensional finite element model of the whole cast-in-place， local prefabricated and all prefabricated subway stations was established， and the stress characteristics of the three structures were compared and analyzed. The results show that the overall stress and deformation distribution of the three are generally consistent， and the deformation degree of the fabricated structure is lighter than that of the cast-in-place structure， especially the middle column part， and the deformation of the cast-in-place structure is more obvious. Therefore， the prefabricated structure not only has better bearing capacity than the overall cast-in-place structure， but also can effectively reduce the deformation of the middle column of the structure and enhance the overall stability of the structure， which verifies the superiority and safety of the prefabricated structure of the prefabricated station. The research results can provide reference for the safe use of prefabricated subway stations.

基金項(xiàng)目：中鐵三局集團(tuán)有限公司科研項(xiàng)目（K220601）

作者簡介：李培國（1981-），男，高級(jí)工程師，項(xiàng)目經(jīng)理。研究方向?yàn)殍F路工程、城市軌道交通工程施工與管理。