装配式地铁车站结构双榫槽式接头应力演变规律试验研究

李兆平，李凯旋，吕书清，苏会峰，王 臣

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037)

地铁工程采用预制构件建造能有效缩短工期、保证质量、降低工程造价[1]。在我国，构件预制、现场装配技术已经在盾构法地铁区间隧道施工中广泛使用，而装配式地铁车站的研究与应用仍然处于起步阶段。目前国内已经在长春地铁2号线袁家店站[2]和北京地铁6号线西延金安桥站开展了采用预制装配式结构建造明挖地铁车站的试验。

李守庆、师帅风、苏军、李兆平等依托长春地铁2号线袁家店站工程，对装配式地铁车站结构的接头力学性能进行了持续研究[3-10]，研究成果已经应用到车站结构的设计中。袁家店装配式地铁车站的预制构件同时采用了单榫槽式接头和双榫槽式接头，而以往的研究多集中于单榫槽式接头，因此有必要对双榫槽式接头进行更深一步的研究。

本文采用足尺加载试验的方法，研究在轴弯组合工况作用下，双榫槽式接头部位的钢筋及混凝土应力演变规律，为装配式地铁车站的接头设计提供依据。

1 研究背景

长春地铁2号线共设计了5座装配式地铁车站，其中袁家店站是我国首例全装配式地铁车站。车站主体结构宽20.5 m，高16.95 m，每环管片宽2 m，1环分为7块预制构件，单块预制构件最重达55 t，如图1所示。

图1 装配式车站结构标准环形式

结构接头均采用榫槽注浆式结构，利用凹凸榫的咬合作用能够有效传递剪力，且其轴力传递不受影响，榫槽、榫头间隙注浆后，既能有效限制榫头榫槽之间的相对移位变形，也能可靠粘结连接界面的混凝土，限制接缝的张开，同时注浆材料还能起到很好的接头防水效果。榫槽式接头分单榫和双榫2种，图1中接头1、接头2、接头3为双榫接头，接头4为单榫接头。本文主要研究双榫接头，以接头2为例其细部结构示意图如图2所示。

图2 双榫接头细部构造(单位：mm)

2 试 件

基于接头部位的构造特征，结合试验条件及操作的方便性，设计了1种用于轴弯试验的标准试件，其接头形状、尺寸和材料与实际预制构件完全一致(如图2)，实际车站结构中接头右侧设置了凸台及销棒，以便预制构件的拼装固定，同时也可起到安全储备的作用，为便于试件加工和加载试验，此部分构造在试件中不予考虑。试件分左右两块分别浇筑，试验前拼装在一起，拼装完成后的最大长度为3.5 m，试件厚度取为0.5 m，沿厚度方向布置5层钢筋，主筋选用直径20 mm的HRB400级钢筋，箍筋选用HPB300级钢筋，混凝土保护层厚度为40 mm，混凝土采用C50混凝土，试件结构示意图如图3所示。试件拼装缝隙为5 mm，缝隙中灌注环氧树脂粘合剂。

图3 加载试验构件结构配筋示意图(单位：mm)

根据依托工程的结构内力计算结果，需要研究轴力500和1 000 kN 2种情况下接头部位受力特点，因此本次试验设计的试件数量2个，加载轴力分别为500和1 000 kN。

3 加载系统

加载试验在一个5 200 mm×4 100 mm×1 500 mm的混凝土基坑内进行，如图4所示。

图4 双榫接头抗弯试验基坑布置图(单位：mm)

轴力由千斤顶1提供，弯矩由千斤顶2通过分配梁提供。加载时保持轴力不变，弯矩持续增加，直至试件出现贯通接头部位的裂缝，此时可以认为构件失效。

加载弯矩是由千斤顶2通过分配梁加载到试件上的，轴力计2测出的千斤顶推力需经过换算才能得到试件实际所受弯矩，换算公式为

(1)

式中：M为接头部位所受弯矩，kN·m；F为作用在分配梁上的液压千斤顶2的推力。

4 测试系统及测试方法

测试系统采取浙江东华测试技术股份有限公司的DH3816N静态应变测试系统。该系统是全智能化的巡回数据采集系统，每个模块60测点。

混凝土应变和钢筋应力采用应变片进行量测。对于混凝土应变测量，鉴于榫槽式接头尺寸小，若采用常用的长为100 mm的电阻应变片，则测点布置困难，若应变片太短，则所测混凝土表面应变误差太大，故选用的是长为50 mm的电阻应变片；对于钢筋，应变片采用的是BX120-80AA。

在试件表面布置混凝土应变片，监测混凝土的应力变化情况，应变片粘贴位置如图5所示。

图5 混凝土应变片布置图

试件接头部位的钢筋笼上预先埋置钢筋应变片，以监测钢筋应力变化情况，测点布置位置如图6所示。

图6 钢筋应变片布置图

5 试验数据分析

试验过程中，随着加载弯矩的增加，接头混凝土裂缝的发展均表现如下规律：出现微裂缝—裂缝延伸且裂缝变多—裂缝加速发展一出现贯穿整个接头的裂缝。因此，当试件出现贯穿整个接头的裂缝，则认为试件失效，结构失去承载力。

5.1 接头部位混凝土应力演变规律分析

为便于对试验数据进行分析，将应变都换算为应力表示，其中混凝土的弹性模量取34.5 GPa，钢筋的弹性模量取210 GPa。由于C50凝土的抗拉强度较低，测得的应力超过其极限抗拉强度后即可认为混凝土结构已开裂失效，此后测得的应力值已没有实际意义，分析时不予考虑。

试验布置的混凝土应变片较多，为研究双榫接头的受力特性，选取分别位于榫头A和榫头B水平中轴线附近的测点分析其应力变化规律，如图7所示。

5.1.1 轴力500 kN工况下混凝土应力演变规律

500 kN轴力工况下，榫头A水平中心线上混凝土测点的弯矩—应力曲线如图8所示。

图7 选取的混凝土应变片位置示意图

图8 榫头A附近测点的弯矩—应力曲线

从图8可以看出：

(1)榫头A水平中心线上的测点均靠近试件的受拉侧，弯矩达到262.5 kN·m之前，各测点应力随着弯矩的增大均持续增加，基本呈线性变化，接缝附近的测点与远离接缝的测点应力—弯矩曲线无明显差异，说明弯矩较小时，试件在双榫槽接头的咬合作用下能作为1个整体共同受力。

(2)弯矩超过227.5 kN·m后，各测点差异逐渐凸显。距离接缝位置较远的42和105号测点的弯矩—应力曲线在试件失效前基本处于同步稳定上升的状态，由受压逐步转为受拉，说明试件远离接缝的部位在结构失效前能持续稳定承载。

(3)50，60，72和89号测点距离接缝较近，应力波动较42和105号测点更为明显。60和72号测点应力在加载弯矩超过262.5 kN·m后表现出明显的下降趋势，与此同时试件受拉侧部分测点(图5中的73和77号测点)的应力值开始超过混凝土极限抗拉强度，混凝土开始出现微裂缝。据此可推断60和72号测点应力下降是由于榫头A受拉侧部分区域混凝土开始被拉裂、承受的拉应力有所降低，相应的传递到60和72号测点的拉应力也有所减少；远离接头部位的42和105号测点能始终保持增长趋势，说明接头部位局部微裂缝的产生主要影响接缝附近混凝土的应力分布，对试件整体影响并不大，在整个加载试验过程中，接缝附近的混凝土能通过不断的局部应力调整，使得榫头与榫槽协调受力、共同抵抗弯矩，进而使试件远离接头的其余部位能持续稳定承载。

(4)弯矩加载至420 kN·m时，受拉侧接缝张开，导致42，50，89和105号测点应力突然降低，此时试件已达到失效状态。

500 kN轴力工况下，榫头B水平中心线上混凝土测点的弯矩—应力曲线如图9所示。

图9 榫头B附近测点的弯矩—应力曲线

从图9可以看出：

(1)由于榫头B水平中心线上的测点均靠近试件的受压侧，在加载开始后的相当一段长的时期内，各测点的应力值都是随着弯矩的增大而逐渐减小，弯矩—应力曲线呈线性发展，趋势十分相近。

(2)当弯矩超过280 kN·m后，位于榫头B上的62和66号测点曲线开始上扬，逐渐由受压转为受拉，并最终超过混凝土抗拉强度，而其余测点则多是在弯矩达到350 kN·m时应力才逐渐增大。说明测点越邻近接缝部位，对弯矩加载的反应越敏感；榫头B对加载的反应相对榫头A较为迟缓(榫头A接缝附近的测点应力在弯矩加载至262.5 kN·m时即开始出现非线性变化)。

(3)弯矩加载至中后期，部分处于受压状态的测点逐渐转为受拉，越靠近接缝部位的测点转变的越快。总体上来说，接头的接缝部位能先于试件其余部位对弯矩加载做出反应。

5.1.2 轴力1 000 kN工况下混凝土应力演变规律

1 000 kN轴力工况下，榫头A水平中心线上混凝土测点的弯矩—应力曲线如图10所示。

从图10可以看出：

(1)未施加弯矩时，各测点在轴力的作用下基本处于受压状态；当弯矩较小时，与轴力500 kN工况类似，各测点的应力随着弯矩的增大均线性增加，接头附近的测点与远离接头的测点并无显著区别，试件在双榫槽接头咬合作用下能作为一个整体共同受力。

图10 轴力1 000 kN工况下榫头A附近测点的弯矩—应力曲线

(2)42号测点距离接缝位置最远，其弯矩—应力曲线在试件失效前基本处于同步稳定上升的状态，由受压逐步转为受拉，说明被双榫槽式接头连接起来的试件在失效前能始终保持较好的整体稳定性。

(3)105号测点和42号测点到接头中线的距离相近，同时105号测点和50号测点到接缝的距离也相近，而105号测点的弯矩—应力曲线与50号测点的几乎同步发展，说明在受拉侧，测点与接缝的相对位置更能影响测点应力的发展趋势。

(4)72和89号测点距离接缝最近，应力波动较其余测点更为明显。60和72号测点应力在弯矩加载超过437.5 kN·m后表现出下降趋势，弯矩加载到507.7 kN·m时测点应力出现一次明显突降，与此同时榫头A受拉侧部分测点的应力开始超过混凝土极限抗拉强度、混凝土开始出现微裂缝，可推断72和89号测点应力下降的原因是榫头A受拉侧部分区域混凝土开始被拉裂、承受的拉应力有所降低，相应的传递到72和89号测点的拉应力也有所减少；远离接头部位的42号测点能始终保持增长趋势，说明接头部位微裂缝的产生主要影响接缝附近混凝土的应力分布，对试件整体影响并不大，在整个受弯过程中，接头部位能通过不断的局部应力调整，使得试件接头之外的其余部位能持续稳定承载。

(5)弯矩加载至577.5 kN·m时，受拉侧接缝张开，导致42，50，105号测点应力突然降低，此时试件已达到失效状态。

1 000 kN轴力工况下，榫头B水平中心线上混凝土测点的弯矩—应力曲线如图11所示。

从图11可以看出：

(1)弯矩从0加载至420 kN·m时，各测点的应力值都是随着弯矩的增大而逐渐减小，弯矩—应力曲线呈线性发展。

(2)当弯矩超过420 kN·m后，各测点的应力—曲线开始上扬，逐渐由受压状态向受拉状态转变，越靠近接头的测点转变的越快。说明接头部位能先于试件其余部位对弯矩加载做出反应。

图11 轴力1 000 kN工况下榫头B附近测点的弯矩—应力曲线

5.2 接头部位钢筋应力演变规律分析

轴力500和1 000 kN工况下钢筋的弯矩—应力曲线分别如图12和图13所示。

图13 轴力1 000 kN工况下钢筋弯矩—应力曲线

从图12和图13可以看出：

(1)加载初期，钢筋应力基本呈线性变化，越靠近受拉侧拉应力越大，越靠近受压侧压应力越大，符合一般受弯构件的受力特性。

(2)弯矩加载超过一定值(轴力500 kN工况下该值为350 kN·m，轴力1 000 kN工况下该值为455 kN·m)后，随着混凝土裂缝的出现，各钢筋测点的应力也开始呈现出不同的变化趋势；榫头与榫槽部位的钢筋均出现不同程度的受拉现象，其中榫头A和榫头B 上的11和13号钢筋测点，及两榫头间榫槽上的23和25号钢筋测点的拉应力最大，这是由于这些测点附近的混凝土首先发生破坏，混凝土出现微裂缝后该部位的拉应力全部由钢筋承担，导致这些测点钢筋的拉应力要大于其余部位。正是由于钢筋能提供较大的拉应力，约束了混凝土微裂缝的继续发展，使得试件能带裂缝工作、不至于因裂缝张开过大而导致失效；榫头B及其榫槽内的钢筋(13和25号测点)应力增长略微落后于榫头A，说明榫头B对加载的敏感性略滞后于榫头A。

(3)试件失效时，部分邻近受拉侧的钢筋测点应力突然大幅度降低，之前拉应力较小或处于受压状态的钢筋突然开始承受较大拉应力，说明此时受拉侧接缝开始被拉裂，损失的拉应力由其余部分承担。但此时试件并没有丧失承弯能力，只是由于接缝张开量过大、不满足防水要求而导致构件失效。

(4)500 kN工况下钢筋测点的应力普通大于1 000 kN工况，说明低轴力工况下钢筋会发挥更大的承弯作用；各工况下钢筋测点的应力始终未超过钢筋抗拉强度。

6 结 论

(1)随着加载弯矩的增加，接头部位混凝土及钢筋的应力发展大致可分为3个阶段：线性阶段、非线性阶段、失效阶段。

(2)线性阶段内，由于榫槽式接头的互相咬合作用，试件基本呈现整体均匀受力的状态；进入非线性阶段后，榫头与榫槽出现频繁的应力重分布，接缝附近的混凝土开始出现微裂缝，钢筋承担的拉应力显著增大。

(3)接头部位通过不断的局部应力调整，使得榫头与榫槽协调受力、共同抵抗弯矩，进而使远离接头的部位能持续稳定承载。

(4)加载试验结果表明，当试件出现贯通接头部位的裂缝，试件处于失效状态，此时，500 kN轴力下接头试件所能承受的最大弯矩为420 kN·m；1 000 kN轴力下试件所能承受的最大弯矩为578 kN·m。这个结论对装配式地铁车站双榫槽式接头设计具有指导价值。