裝配式地鐵車站與同型現(xiàn)澆地鐵車站承載特性對比研究

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制裝配式地鐵車站為背景，建立整體現(xiàn)澆、局部預制與全部預制結構地鐵車站的三維有限元模型，對比分析3種結構的受力特點。結果表明，三者整體應力與變形分布規(guī)律大體一致，裝配式結構變形程度輕于現(xiàn)澆結構，尤其是中柱部分，現(xiàn)澆結構變形更明顯。因此，采用裝配式結構不僅比整體現(xiàn)澆結構有更好的承載能力，還能有效減小結構中柱變形，增強結構的整體穩(wěn)定性，驗證裝配式車站預制結構使用的優(yōu)越性與安全性。研究結果可為裝配式地鐵車站安全使用提供參考。

關鍵詞：裝配式結構；地鐵車站；數(shù)值模擬；承載特性；對比研究

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

裝配式地鐵車站具有安全性高、對周邊環(huán)境影響較小的優(yōu)勢，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的受力特性十分重要。

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

以青島市某地鐵線路預制裝配式地鐵車站為背景，運用有限元模擬軟件，建立整體現(xiàn)澆、局部預制與全部預制三維地鐵車站整體結構模型，對比分析正常加載條件下3種情況的應力和變形特點，研究結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制裝配式地鐵車站，該車站長210 m，主體結構主要由標準段與非標準段（開口環(huán)處）構成，如圖1所示。該車站存在中間立柱，立柱間距為8 m。該車站結構縱向設置為2 m/環(huán)，預制構件標準環(huán)每環(huán)分為4塊，塊體分類為頂板、側墻-左、側墻-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制結構，整個車站首先將底板全部現(xiàn)澆成一體，然后進行一環(huán)側墻、中板和頂板拼裝，當一環(huán)拼裝完成后，進行下一環(huán)的拼裝，環(huán)環(huán)類推，最終形成整個車站主體。預制構件環(huán)與環(huán)之間采用通縫拼裝，各塊之間也采用通縫拼裝。頂板與側墻、側墻與底板之間采用榫槽連接并加注固化漿液。預制構件采用閉腔薄壁構件。

2" 數(shù)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，模型各部分均采用實體單元進行模擬，對于車站整體現(xiàn)澆結構，整個結構采用C50混凝土；對于裝配式車站局部預制結構，材料選用見表1；對于裝配式車站全部預制整體結構，材料選用與局部預制整體結構相同。裝配式車站局部預制結構與全部預制結構模型中預制構件均采用閉腔薄壁進行模擬分析。模型網(wǎng)格劃分示意圖如圖2所示。

3" 結果分析

由于3種結構模型的應力結果云圖中頂板與中板的應力與變形較明顯，因此選取頂板與中板2部分作為觀測結構對象如圖3所示。

3.1" 應力結果分析

現(xiàn)給出車站整體現(xiàn)澆結構、裝配式車站局部預制結構與全部預制結構模型水平應力結果云圖如圖4所示。根據(jù)應力結果云圖做出3種結構下的頂板與中板應力結果曲線對比圖如圖5所示。

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

由圖5可以看出，在正常加載條件下，三者頂板外側應力呈現(xiàn)出中間受壓、兩端受拉的現(xiàn)象，應力分布規(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，三者中板應力分布規(guī)律大體一致。相比之下，預制裝配式結構應力數(shù)值比整體現(xiàn)澆結構較小，預制裝配式結構更具有優(yōu)勢。

3.2" 變形結果分析

車站整體現(xiàn)澆結構、裝配式車站局部預制結構與全部預制結構模型的總位移分布云圖如圖6所示。根據(jù)結果云圖做出3種結構下的頂部、中板總位移變形對比曲線圖如圖7所示。

由圖6可以看出，3種車站結構均在頂板出現(xiàn)較大變形，由頂板中部向兩側逐漸減小，整體現(xiàn)澆結構最大變形約為17 mm，局部預制結構最大變形約為6.62 mm，較整體結構最大變形值減小了61.06%，但區(qū)別于整體現(xiàn)澆結構，該結構中柱幾乎無變形。全部預制結構變形出現(xiàn)位置與局部預制結構一致，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種結構的頂板總位移變形程度均呈現(xiàn)中部最大，由中間向兩側逐漸減小的規(guī)律，有且僅有一個峰值出現(xiàn)，且三者變形程度基本相當；3種結構的中板變形均出現(xiàn)2個峰值，中板變形規(guī)律一致，數(shù)值相差不大。另外整體現(xiàn)澆結構中柱有變形，而裝配式結構幾乎沒有變形。由此可見，采用裝配式結構不僅比整體現(xiàn)澆結構有更好的承載能力，還能有效減小結構中柱變形，增強結構的整體穩(wěn)定性。

4" 結論

以青島市某地鐵線路預制裝配式地鐵車站工程為背景，運用有限元軟件進行數(shù)值模擬，對比分析3種車站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）在相同加載條件下，三者應力分布規(guī)律大體一致，相比之下，預制裝配式結構應力數(shù)值比整體現(xiàn)澆結構較小，預制裝配式結構更具有優(yōu)勢。

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

3）采用裝配式結構不僅比整體現(xiàn)澆結構有更好的承載能力，還能加快施工進度，且有效減小結構中柱變形，增強結構的整體穩(wěn)定性，驗證了裝配式車站預制結構的優(yōu)越性與安全性。

參考文獻：

[1] TAO L J， DING P， SHI C， et al. Shaking table test on seismic response characteristics of prefabricated subway stationstructure[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2019，19（9）：102994.

[2] 顧泰昌.國內外裝配式建筑發(fā)展現(xiàn)狀[J].工程建設標準化，2014（8）：48-51．

[3] LIU H T， HAN Q， BAI Y L， et al. Connection performance of restrained deformed grouted sleeve splice[J]. Advances in Structural Engineering，2018，21（3）：488-499．

[4] 丁鵬，楊秀仁，高向宇，等.單拱大跨預制裝配式地鐵車站水平與豎直的地震響應[J].黑龍江科技大學學報，2018，28（6）：630-637．

[5] DING P， TAO L J， YANG X R， et al. Three-dimensional dynamic response analysis of a single-ring structure in a prefabricated subway station[J]. Sustainable Cities and Society， 2019（45）：271-286．

[6] 丁鵬，陶連金，楊秀仁，等.預制裝配式地鐵車站單環(huán)結構傳力與變形機理[J].西南交通大學學報，2020，55（5）：1076-1084.

[7] 陶連金，李卓遙，楊秀仁，等.基于ABAQUS的預制裝配式地鐵車站結構拼裝成環(huán)后力學行為研究[J].現(xiàn)代隧道技術，2018，55（5）：115－123．

[8] 彭智勇，楊秀仁，黃美群，等.預制裝配式地下車站結構施工階段力學行為分析[J].隧道建設（中英文），2022，42（3）：398－405.

[9] 楊秀仁，黃美群，林放.地鐵車站預制裝配式結構注漿式榫槽接頭彎曲抵抗作用特性研究[J].土木工程報，2020，53（2）：33-40.

[10] 楊秀仁，林放，黃美群.地鐵車站預制裝配式結構注漿式單榫接頭抗彎剛度試驗研究[J].土木工程學報，2020，53（3）：38-43.

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.

基金項目：中鐵三局集團有限公司科研項目（K220601）

作者簡介：李培國（1981-），男，高級工程師，項目經(jīng)理。研究方向為鐵路工程、城市軌道交通工程施工與管理。