預(yù)制裝配式地鐵車站肥槽回填施工力學(xué)行為研究

單馨玉 陶連金 張宇 邊金

（1.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點實驗室，北京 100124；2.廣東海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院，廣東湛江 524088）

預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在地下工程中的應(yīng)用起源于20世紀(jì)二三十年代的歐洲，主要應(yīng)用于明挖地鐵車站隧道和市政管線中。在法國、俄羅斯、日本、荷蘭等國家多采用部分預(yù)制結(jié)構(gòu)［1］。國內(nèi)地下裝配式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實例并不多，主要應(yīng)用在盾構(gòu)法地鐵區(qū)間隧道的修建中，一般為規(guī)整的圓形結(jié)構(gòu)［2］，仰拱采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，拱和側(cè)墻則是采用現(xiàn)場澆筑［3］。國內(nèi)對地鐵車站施工階段結(jié)構(gòu)變形的研究主要是采用數(shù)值模擬或現(xiàn)場監(jiān)測的方法，且主要針對矩形車站結(jié)構(gòu)進行受力分析［4-6］。長春地鐵2號線采用整體預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，其“搭積木”式的施工方式，有效地加快了施工進程。現(xiàn)階段對預(yù)制裝配式地鐵車站的靜力研究，集中于接頭性能的研究［7］、正常使用階段結(jié)構(gòu)整體性能的研究［8］、以及拼裝成環(huán)后力學(xué)性能的研究［9-10］。對預(yù)制裝配式地鐵車站施工階段結(jié)構(gòu)受力性能的研究還不夠全面。

本文以長春地鐵2號線袁家店站預(yù)制裝配式地鐵車站為工程背景，運用有限元軟件MIDAS GTS NX，建立單環(huán)地層-結(jié)構(gòu)模型，對肥槽回填施工階段進行數(shù)值模擬，分析主體結(jié)構(gòu)的受力性能，探討回填材料由素混凝土變?yōu)橥習(xí)r能否保證主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，驗證拼裝成環(huán)時在兩拱腳設(shè)置的鋼支撐在肥槽回填階段是否仍對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用。

1 參數(shù)的選取及模型的建立

根據(jù)長春地鐵2號線初步勘察報告，由上而下巖土層分別為雜填土、全風(fēng)化泥巖、強風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥巖，其物理力學(xué)參數(shù)見表1。土體材料采用Mohr?Coulomb彈塑性模型。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

北京城建設(shè)計發(fā)展集團研究的單拱大跨預(yù)制裝配式地鐵車站預(yù)制襯砌標(biāo)準(zhǔn)環(huán)構(gòu)件尺寸如圖1所示。預(yù)制裝配式混凝土主體結(jié)構(gòu)、板柱結(jié)構(gòu)、圍護樁。墊層均采用線彈性模型。結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表2。

圖1 預(yù)制襯砌標(biāo)準(zhǔn)環(huán)構(gòu)件尺寸（單位：m）

表2 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

利用有限元軟件MIDAS GTS NX建立了該車站的單環(huán)地層-結(jié)構(gòu)模型，包括圍護樁、回填土、預(yù)制構(gòu)件、榫頭榫槽接觸構(gòu)件。車站結(jié)構(gòu)寬度220 m，高80 m。整體模型見圖2。

圖2 整體模型（單位：m）

模型兩側(cè)土體取5倍的車站結(jié)構(gòu)寬度，地鐵車站結(jié)構(gòu)豎向土體高度為3倍的車站結(jié)構(gòu)高度。預(yù)制裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)段環(huán)向有7塊構(gòu)件，環(huán)寬2 m。邊界條件采用模型底部土體固定，左右兩側(cè)限制x方向位移，土體的上表面為自由邊界。

圖3 預(yù)制裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)形式

環(huán)向構(gòu)件內(nèi)設(shè)置閉腔，構(gòu)件最薄處為200 mm，結(jié)構(gòu)立面如圖4所示。構(gòu)件間設(shè)置榫頭和榫槽，中樓板和中柱為現(xiàn)澆構(gòu)件，在環(huán)向接縫處設(shè)置12根預(yù)緊鋼螺栓。

圖4 結(jié)構(gòu)立面 （單位：mm）

2 肥槽回填材料改變對結(jié)構(gòu)受力的影響分析

回填材料為素混凝土和土（包括全風(fēng)化泥巖）。肥槽回填過程見表3。素混凝土彈性模量22 GPa，泊松比0.20，重度25.0 kN/m3；全風(fēng)化泥巖彈性模量 5 GPa，泊松比0.26，重度19.9 kN/m3。先分析回填材料對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響，再分析內(nèi)力最大值隨土體的彈性模量、重度的變化情況。

表3 肥槽回填過程

2.1 主體結(jié)構(gòu)變形

地下車站主體結(jié)構(gòu)位移見圖5。

圖5 主體結(jié)構(gòu)位移

由圖5可知：回填素混凝土完成時主體結(jié)構(gòu)水平位移最大值（2.3 mm）出現(xiàn)在拱腳，且結(jié)構(gòu)水平最大相對位移隨著回填步序的增加而減小，兩拱腳向內(nèi)收縮；而回填素混凝土完成時主體結(jié)構(gòu)豎向位移最大值（9.98 mm）出現(xiàn)在拱頂變截面處，且主體結(jié)構(gòu)豎向最大相對位移隨著回填步序的增加而逐漸增大，拱頂向上擴張。這是因為結(jié)構(gòu)兩側(cè)對稱回填，隨著回填步序的增加，在兩側(cè)肥槽的固定作用下上部拱結(jié)構(gòu)向上抬升。回填不同材料對結(jié)構(gòu)位移的影響很小。

2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

采用MIDAS GTS NX后處理中的“局部方向合力”，對截面內(nèi)實體單元以積分的方式輸出彎矩、軸力和剪力。控制截面選取如圖6所示。由于結(jié)構(gòu)左右基本對稱，只取半邊進行分析。

圖6 控制截面選取

2.2.1 回填不同材料時截面內(nèi)力

回填完成時結(jié)構(gòu)各截面內(nèi)力見圖7。可知：①彎矩絕對值的最大值為739.98 kN·m，出現(xiàn)在截面4處，說明拱腳處不設(shè)任何支撐時回填土無法抵消主體結(jié)構(gòu)傳遞下來的力，以致于拱腳以上部分彎曲較大；軸力絕對值的最大值為760.20 kN，出現(xiàn)在截面6處；剪力值整體較小，剪力絕對值的最大值為92.56 kN，出現(xiàn)在截面8處。②回填素混凝土和回填全風(fēng)化泥巖各截面受力方向基本一致，從整體上看差值并不大。

圖7 結(jié)構(gòu)各截面內(nèi)力

為了更直觀地體現(xiàn)2種不同材料在回填過程中的差異，下面對受力較大的截面（即截面4和截面6）進行分析。

肥槽分級回填過程中拱腳處（截面4）內(nèi)力變化曲線見圖8。可知：①回填素混凝土?xí)r結(jié)構(gòu)受力整體上較回填全風(fēng)化泥巖時小，兩者彎矩和軸力的差值一開始很小。這是因為開始回填時，回填土距離拱腳較遠(yuǎn)，隨著回填高度的增加，兩值差值逐漸增大，彎矩和軸力最大差值分別為2 kN·m和2 kN，兩者剪力差值變化比較平穩(wěn)，最大差值約1 kN，由此可見回填材料改變對彎矩和軸力的影響明顯大于剪力；②截面4處彎矩先緩慢增大，回填到拱腳處（對應(yīng)步序9）時彎矩逐漸減小，直至回填到步序11時突然增大；軸力先保持不變，回填至拱腳處時突然增大；剪力基本不變。

肥槽分級回填過程中邊墻底部（截面6）內(nèi)力變化曲線見圖9。

圖8 截面4內(nèi)力變化曲線

圖9 截面6內(nèi)力變化曲線

由圖9可知：①回填素混凝土?xí)r結(jié)構(gòu)的彎矩和軸力大于回填全風(fēng)化泥巖時。這是由于回填是從邊墻底部開始的，回填材料越重使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力越大，同時2種回填材料對結(jié)構(gòu)受力的差異從回填第1層時就體現(xiàn)出來，且隨回填步序的增加差值逐漸增大，彎矩差值最大約15 kN·m，軸力差值最大約25 kN，剪力差值最大約0.5 kN，由此可見回填不同材料對截面6受力的影響為軸力差大于彎矩差大于剪力差，軸力最敏感；②在回填過程中截面6受力逐漸增大，這是因為回填材料是從邊墻底部開始回填，邊墻底部承擔(dān)的回填材料重量隨回填步序的增加而增大，因此內(nèi)力也隨之增大。

2.2.2 回填土彈性模量改變時關(guān)鍵截面內(nèi)力最大值

回填土彈性模量分別取20，30，40，50，60 MPa，其他參數(shù)同全風(fēng)化泥巖。提取關(guān)鍵截面（截面4和截面6）彎矩和軸力的最大值進行分析。回填土彈性模量對關(guān)鍵截面內(nèi)力的影響見表4。

表4 回填土彈性模量對關(guān)鍵截面內(nèi)力的影響

由表4可知：①當(dāng)回填土彈性模量增大1倍時關(guān)鍵截面的彎矩和軸力分別減小了0.05%和0.37%，回填土彈性模量的增大對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面受力影響較小；②與工程實際回填的C15素混凝土（彎矩-734.730 kN·m，軸力-760.2 kN）相比，回填土彈性模量為20 MPa時彎矩增加了3.75%，軸力增加了5.08%。在內(nèi)力值相差不到10%的前提下，回填材料用彈性模量較小的土代替素混凝土是可行的。

2.2.3 回填土重度改變時關(guān)鍵截面內(nèi)力最大值

彈性模量取20 MPa，回填土的重度分別取18，20，22，24，26 kN/m3，其他參數(shù)同全風(fēng)化泥巖。提取關(guān)鍵截面（截面4和截面6）彎矩和軸力的最大值進行分析。回填土重度對關(guān)鍵截面內(nèi)力的影響見表5。

表5 回填土重度對關(guān)鍵截面內(nèi)力的影響

由表5可知：①隨著回填土重度的增加，關(guān)鍵截面內(nèi)力也隨之增加，當(dāng)回填土的重度增加10%時，彎矩增加了0.35%，軸力增加了2.56%。回填土重度對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面受力的影響要大于彈性模量。②與工程實際回填的C15素混凝土相比，回填土重度為18 kN/m3時關(guān)鍵截面彎矩增加了3.41%，軸力增加了2.53%。在內(nèi)力值相差不到10%的前提下，回填材料用重度較小的土代替素混凝土是可行的。

3 拱腳處施工力學(xué)性能的改善

由以上分析可知，拱腳不設(shè)任何支撐時拱腳處彎矩達(dá)到740 kN·m。為降低拱腳處彎矩，使結(jié)構(gòu)受力更加合理，拼裝成環(huán)階段在拱腳處設(shè)置鋼支撐（圖10），鋼支撐的彈性模量為210 GPa，直徑60 mm，每一環(huán)兩拱腳位置各布置2根。下面通過數(shù)值模擬，就肥槽回填階段有無支撐對結(jié)構(gòu)變形的影響進行分析。

圖10 鋼支撐

3.1 結(jié)構(gòu)變形

與無支撐時相比，在拱腳處設(shè)置鋼支撐后拱頂向上抬升約3 mm，兩拱腳向內(nèi)收縮約2 mm，形成一個穩(wěn)定的“三腳拱”結(jié)構(gòu)，使得拱腳處變形大大減小，可見在肥槽回填階段拱腳處鋼支撐對維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定仍起著關(guān)鍵作用。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

拱腳處有無鋼支撐各截面內(nèi)力見圖11。

圖11 拱腳處有無鋼支撐各截面內(nèi)力

由圖11可知：①截面4（拱腳處）彎矩明顯減小；②在兩側(cè)肥槽和鋼支撐的共同作用下兩拱腳向內(nèi)收縮，上部拱結(jié)構(gòu)向上抬升，致使軸力增大，形成一個穩(wěn)定的“三腳拱”結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)在施工階段的穩(wěn)定性得到提升，對拱腳以上構(gòu)件起到擠壓作用，提高了安全性能；③設(shè)置鋼支撐后各截面剪力均明顯減小。可見，在拱腳處設(shè)置鋼支撐對改善肥槽回填階段結(jié)構(gòu)整體的受力效果顯著。

4 結(jié)論

1）地下預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的施工特點是先將預(yù)制構(gòu)件裝配成環(huán)后再進行回填，在主體結(jié)構(gòu)回填階段拱頂向上抬升，兩拱腳向內(nèi)收縮，回填土的作用相當(dāng)于為拱腳處提供側(cè)向支撐。

2）通過對控制截面內(nèi)力的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拱腳處無鋼支撐時，拱肩及拱腳的彎矩較大，邊墻底部軸力較大，拱腳和底板剪力較大。回填素混凝土和土對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響不大，截面位置不同影響有所不同：隨回填步序的增加，回填位置較低的邊墻底部受回填材料重度影響較大，回填較輕的土相對來說結(jié)構(gòu)受力較小，而對于回填位置較高的拱腳，為更好地抵消上部構(gòu)件的重力分力，回填素混凝土要優(yōu)于土。

3）回填土的彈性模量和重度的改變對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響不大。隨著回填土彈性模量增大結(jié)構(gòu)彎矩和軸力均減小，隨著回填土重度的增加結(jié)構(gòu)彎矩減小軸力增大。回填土的重度對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響大于彈性模量。

4）實際施工時為維持各拼裝環(huán)之間的穩(wěn)定性，在拱腳處設(shè)置鋼支撐能夠明顯改善結(jié)構(gòu)拱腳處的受力。在肥槽回填階段拱腳處鋼支撐對結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性仍起著關(guān)鍵作用。