預制裝配式地鐵車站單環結構受力變形特性分析

王有權

（中鐵三局集團第四工程有限公司，北京 102300）

隨著全國城市化進程的快速發展，人口的快速增長所導致的生活空間擁擠、交通線路堵塞、生存環境惡化等問題日益嚴重，這加快了城市地下空間工程開發利用的步伐，地下空間工程的開發與利用已成為城市現代化的主要標志。在我國，長春、青島、廣州和深圳等地區相繼展開裝配式地鐵車站的研究和建設，至今已有多座車站建成并投入運營[1]。相較于傳統整體現澆工藝的車站，局部預制裝配式地鐵車站因結構形式的變化導致結構的受力出現變化[2]。因而研究局部預制裝配式結構的受力特點，是進行結構設計、保證結構安全的前提。楊秀仁等[3-4]通過研究裝配式車站的連接節點特性，分析裝配式車站不同的結構方案。丁鵬等[5]對比分析了預制裝配式地鐵車站單環結構在不同結構形式及支撐條件下結構的內力和變形特性。蔣盛鋼等[6]通過研究不同連接節點模式對預制裝配式地鐵車站結構性能的影響，對比研究了不同鉸接方案在不同荷載模式下的內力響應與結構變形。吳居洋等[7]研究了裝配式結構分塊的接頭位置，比選了不同的結構分塊方案。

以青島市某地鐵線路預制裝配式地鐵車站城子站為背景，運用有限元模擬軟件，采用軟件的實體單元和固接、鉸接等約束條件，建立單環帶有封閉空腔三維結構模型，研究局部預制裝配式地鐵車站標準環結構的的受力與變形。

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。標準段寬23.3 m，該車站為單拱大跨預制裝配式地鐵車站，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。該車站結構縱向設置為2 m/環，預制構件標準環每環分為5 塊，塊體分類為頂板A、側墻-左B、側墻-右C、底板D 和中板E，其中底板D 塊屬于現澆段，由于該裝配式地鐵車站屬于局部預制結構，整個車站首先將底板全部現澆成一體，然后進行一環側墻、中板、頂板拼裝，當一環拼裝完成后，進行下一環的拼裝，環環類推，最終形成整個車站主體。預制構件環與環之間采用通縫拼裝，各塊之間也采用通縫拼裝，為減輕結構自重，每塊構件內部設置封閉式空腔，頂板與側墻、側墻與底板之間采用榫槽連接并加注固化漿液。該車站單環結構預制襯砌分塊情況如圖1 所示。

圖1 車站單環結構預制襯砌分塊圖

由于單環結構是整體結構的基礎，單環結構的受力和變形情況決定了車站整體結構性能的優劣，基于此，本文重點對單環結構拼裝成環后的受力與變形機理進行研究。

2 數值計算模型建立

本次模擬采用的計算模型是荷載-結構模型，該模型各分塊均采用實體單元進行模擬，單環結構模型實體示意圖如圖2 所示，各分塊結構示意圖如圖3所示。

圖2 單環結構模型實體示意圖

圖3 單環結構模型各分塊結構示意圖

2.1 屬性、材料及主要參數

裝配式塊體中，頂板A、側墻-左B、側墻-右C 和底板D 均采用C50 混凝土，中板E 采用C45 混凝土，材料參數見表1。

表1 結構材料、屬性參數

2.2 邊界及約束條件

將車站結構視為彈性地基上一次整體受力的框架進行內力分析，由于底板屬于現澆施工，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構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 單環結構模型施加約束示意圖

2.3 荷載施加

根據GB 50157—2013《地鐵設計規范》，考慮作用在地鐵車站結構上的永久荷載和可變荷載。

1）結構自重：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，設備荷載取8 kN/m2，地面超載取20 kN/m2。

該單環結構模型荷載施加示意圖如圖5 所示，整體模型運行示意圖如圖6 所示，榫槽連接節點位置A約束細部圖如圖7 所示。

圖5 單環結構模型荷載施加示意圖

圖6 單環結構整體模型運行示意圖

圖7 榫槽連接位置約束細部圖

3 結構內力及變形特性分析

3.1 結構應力分析

根據結構特性，分別提取結構最大主應力、最小主應力及相對位置進行分析，現給出單環結構模型S-XX應力結果云圖如圖8 所示。

圖8 單環結構模型S-XX 應力結果云圖

該結構在X方向應力結果中出現應力集中，位置在中板兩端與側墻連接部位，應力從中板兩側向中間逐漸減小，其中最大拉應力出現在中板與側墻連接部位上表面，約為18.6 MPa；最大壓應力出現在中板與側墻連接部位下表面，約為23.4 MPa。該裝配式單環結構模型最大主應力均未超過規范限值[8]（C50 混凝土規范限值）。

單環結構模型S-YY 應力結果云圖如圖9 所示。

圖9 單環結構模型S-YY 應力結果云圖

該結構在Y方向應力結果中同樣出現應力集中，應力集中位置、最大拉應力與最大壓應力位置與X方向應力一樣。其中最大拉應力約為3.1 MPa，最大壓應力約為4.3 MPa。

3.2 結構沉降位移分析

從該模型位移模擬結果中對總位移、橫向位移、豎向位移均進行分析。

單環結構模型的結構總沉降位移云圖如圖10 所示。

圖10 單環結構模型總沉降位移結果云圖

中板跨中位置向兩側逐漸減小，直至為0。側墻與底板均沒有位移變形，頂板有較小的位移變形，出現該現象的原因是底板屬于現澆施工，側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際施工條件。

單環結構模型橫向位移TX 結果云圖如圖11 所示。

圖11 單環結構模型橫向位移結果TX

該結構橫向位移在中板左側部分上表面出現最大值隆起，在中板右側上表面出現最大值沉降，隆起最大值約為1.14 mm，沉降最大值約為1.14 mm。頂板位置出現較小的沉降和隆起。

單環結構模型橫向位移TY 結果云圖如圖12 所示。

圖12 單環結構模型豎向位移結果TY

該結構豎向位移在中板跨中、兩側及頂板跨中位置均出現較大隆起，在中板跨中、兩側也出現較大沉降，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GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》中變形限制條件l/200=105 mm（l為計算跨度），結構的變形在允許范圍內。

4 結論

針對青島市某地鐵線路預制裝配式地鐵車站工程，通過建立該車站單環結構三維模型，運用有限元軟件進行數值模擬，研究分析單環結構在正常使用荷載作用下的應力和變形，得到以下幾條結論。

1）該車站單環結構模型應力結果總是在中板與側墻連接節點位置出現應力集中，最大拉、壓應力也在此處。

2）該車站單環結構模型位移結果總是在中板出現最大沉降與隆起值。

3）無論是應力結果還是位移結果，都在規范允許范圍內，滿足要求，驗證了該裝配式車站單環結構的安全性與穩定性。