局部預制裝配式地鐵車站結構力學行為分析

任夢 曾德星 黃威 楊睿

摘 要：針對目前地鐵車站傳統現澆施工的缺點及全預制裝配式地鐵車站的防水和施工缺陷，提出局部預制裝配式地鐵車站結構及施工工藝。建立三維有限元計算模型，對比研究了整體現澆車站結構和局部預制車站結構的受力特征、變形行為和整體抗震性能。分析結果表明：局部預制車站與整體現澆車站的應力分布規律基本一致，預制和現澆結構的連接節點會出現較大的應力集中。中柱在地震反應中最為劇烈，是抗震薄弱構件。

關鍵詞：地鐵;結構設計;力學性能分析;數值計算;預制裝配式車站

中圖分類號：U451? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）04-0140-03

1引言

近年來，國家大力推行裝配式建造技術，推動裝配式建筑取得突破性進展。裝配式建造技術能發揮綠色、環保、高效的優勢，彌補傳統現澆建造技術的多方面不足，是工程建造未來的發展方向。

國內預制裝配式建造技術的發展起步較國外晚，目前，裝配式施工在交通基礎設施建設領域的應用主要涉及公路、鐵路、橋梁、綜合管廊、地鐵等領域[1-2]。在明挖法車站建造方面，預制裝配化施工仍處于探索階段。長春地鐵2號線車站采用預制裝配式施工工法，是國內首個預制裝配式車站[3-7]。楊秀仁和黃美群[8]分析和探討了長春地鐵 2 號線預制裝配車站關鍵技術。李兆平等[3]對長春地鐵預制車站裝配結構的接頭力學性能進行了試驗研究。陶連金等[9]研究在不同支撐方式下結構的受力和變形特性。北京地鐵6號線金安橋站是北京首座整體裝配式地鐵車站。杜修力等[10]研究了北京金安橋預制拼裝車站側墻連接節點在循環荷載下的力學性能，進一步驗證了車站整體的抗震性能。

地鐵地下車站預制裝配化不同于地面裝配式建筑，面臨深基坑開挖支護、防水等關鍵問題，類似長春地鐵的全預制裝配方案的理念具有很大的局限性。因此，本文在基于現有的地鐵地下車站建造技術之上，提出局部裝配式地鐵車站一體化施工工法，并對相應的車站結構進行整體力學行為分析。

2局部裝配式地鐵車站一體化施工

地下工程施工涉及基坑開挖支護、防水等問題，全預制裝配式車站施工的適用性和推廣性有限，因此在現有的地鐵地下車站建造技術的基礎上，采用“預制+現澆”組合的方案，進行局部裝配式地鐵車站一體化施工，底板采用現澆施工工藝，在側墻、中柱處預留鋼筋;側墻采用預制+現澆疊合墻施工工藝，預制側墻兼做現澆側墻模板;中板、中柱、中縱梁均預制，節點處現澆;頂板采用預制+現澆疊合工藝，預制頂板兼做現澆頂板底模。

2.1模型概況

如圖 1所示，選取4環管片（單環幅寬1.5 m），采用MIDAS GTS建立三維“地層-實體”有限元模型，均采用實體單元建模，地層采用莫爾-庫倫本構模型，混凝土材料采用彈性模型。地層及混凝土材料參數見表 1。

建立完全現澆車站和預制裝配式車站的分析模型，在完全現澆車站模型中，車站墻板柱的節點完全耦合，在預制裝配式車站模型中，預制構件與后澆混凝土界面設置摩擦滑移接觸，接觸面的粘聚力c取3MPa，摩擦角φ取38°。

2.2結構應力分析

結構最大主應力值可以判斷結構受荷最大受拉位置，圖 2顯示容易發生受拉破壞的位置為層板下表面跨中位置，以及層板與豎向構件連接位置。

最小主應力值可以判斷結構受荷最大受壓位置。圖 3顯示，容易發生受壓破壞的位置主要為中柱、中柱與底板/層板連接部位、層板上表面跨中位置。中柱作為主要的豎向承力構件，主要承受上部結構及土層的壓力，所受壓應力較大。

如圖 2和圖 3所示，預制車站與整體現澆車站的應力分布規律基本一致，在同樣的荷載作用下，預制車站在發揮減少高支模、減少木模板和施工腳手架的使用，加快施工進度等優勢的同時，其整體力學性能基本能達到整體澆筑車站的水平。

2.3結構變形分析

通過分析結構的水平和豎向變形量，判斷結構變形最不利位置。對于結構豎向位移（圖 4），預制車站頂板最大撓度為2.65 mm，中板最大撓度為2.48 mm，整體現澆車站頂板最大撓度為2.6 mm，中板最大撓度為2.46 mm。預制車站的整體變形量與現澆車站相差不大。

2.4預制與現澆結構結合面受力分析

側墻和頂板均是預制+現澆疊合墻施工工藝，預制側墻兼做現澆側墻模板;預制頂板兼做現澆頂板底模。預制構件與現澆混凝土結合面屬于受力薄弱面，對該結合面的法向應力和切向應力進行分析，如圖 5和圖 6所示，界面法向應力集中分布于各預制構件的后澆帶處，而整體疊合面的應力幅值較小。如圖 6所示，預制頂板和現澆頂板結合面承受較大的剪應力，這是由于頂板承受較大的壓彎荷載所致。

2.5預制車站抗震性能分析

如圖 7和圖 8所示，在地震荷載作用下，車站結構上層相對位移較大，車站頂板發生最大的水平相對位移，這導致中柱的剪力在與中板連接位置達到最大值，同時，結構主應力主要集中在中柱與板的連接位置、頂板和側墻的連接隅角，這些主要連接節點首先發生破壞后，頂板上覆土的大部分重量由中柱承擔，因此中柱承受較大軸力，尤其是中柱底部的軸力最大。加上中柱由于上層結構的相對位移承受較大的剪應力，極易發生壓剪破壞，造成中柱坍塌，因此在很多遭受地震破壞的車站結構中，中柱底部的損傷最為嚴重。由于中柱的倒塌，頂板兩端采用剛性結點，側壁上部外側受彎發生張拉破壞，使頂板在中柱左右兩側的位置發生折彎，從而增大頂板的坍塌量。

3結論

（1）局部預制車站與整體現澆車站的應力分布規律基本一致，預制車站在發揮減少高支模、減少木模板和施工腳手架的使用，加快施工進度等優勢的同時，其整體力學性能基本能達到整體澆筑車站的水平。

（2）局部預制裝配式車站結構采用預制和現澆結合的型式，相比于完全預制裝配式結構，其節點的剛度更大，節點質量更易保證。預制結構整體受力性能分析表明，現澆及預制結構的節點連接位置仍是整體結構的受力薄弱點，出現較大的應力集中。層板作為主要受彎構件，其下表面跨中位置容易發生受拉破壞。

（3）中柱在地震反應中最為劇烈，中柱在軸力和剪力作用下，最終發生壓曲和彎曲的雙重破壞，是抗震薄弱構件。在抗震設計時應當適當加大中柱剛度，以使車站結構構件的抗震能力相互協調，由此提高車站結構的整體抗震能力。

參考文獻：

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