考虑套筒灌浆缺陷影响地铁车站装配式轨顶风道力学性能研究

刘伯成，丁謇，莫振泽，杨湉，梅君，李炳辰，张永兴

考虑套筒灌浆缺陷影响地铁车站装配式轨顶风道力学性能研究

刘伯成1，丁謇1，莫振泽1，杨湉1，梅君2，李炳辰3，张永兴3

(1. 无锡地铁集团有限公司，江苏 无锡 214131；2. 上海隧道工程股份有限公司，上海 200232；3. 南京林业大学，江苏 南京 210037)

为掌握套筒灌浆缺陷对地铁车站装配式轨顶风道影响，采用有限元数值模拟，选取套筒灌浆端部缺陷、中部缺陷、底部缺陷及钢筋偏心缺陷等四种常见缺陷，研究存在套筒灌浆缺陷装配式轨顶风道力学性能及钢筋螺栓应力变化。研究结果表明：采用套筒灌浆连接的装配式轨顶风道，套筒灌浆连接处出现应力集中，钢套筒及灌浆料所受拉应力由顶部向底部逐渐增大；与无套筒灌浆缺陷情形类似，套筒灌浆缺陷对轨顶风道变形影响较小；存在套筒灌浆底部缺陷的套筒灌浆连接边缘处应力甚至大于混凝土抗拉强度，致使套筒灌浆连接周边混凝土易出现破坏，影响结构安全。研究成果可为套筒灌浆连接在地铁车站预制装配式轨顶风道建设中的应用提供参考。

地铁车站；轨顶风道；套筒灌浆连接；灌浆缺陷；力学性能

为实现工程建设产业升级与可持续发展，国内外已将预制装配技术作为其主要发展方向[1−3]。采用预制装配技术进行地下工程钢筋混凝土结构施工，可以提高地下工程建设工业化程度，并已用于盾构等地铁工程的区间隧道装配式结构[4−6]。钢套筒灌浆作为预制装配建筑施工关键工艺，常用于装配式混凝土结构竖向构件及水平构件的连接[7−8]。然而，套筒灌浆连接施工易出现漏浆脱空等质量缺陷，影响连接处受力性能以及结构整体稳定性[9−10]。较多学者进行了钢套筒灌浆质量对装配式构件力学性能影响相关研究：郑清林等[11]基于70个半灌浆套筒试件单向拉伸试验，研究各类灌浆缺陷对钢套筒灌浆试件破坏形态、承载力和变形性能影响；唐和生等[12]建立考虑缺陷影响的装配式混凝土柱有限元模型，分析循环荷载作用下灌浆缺陷对装配式混凝土柱性能影响；郑清林等[13]进行装配式混凝土柱拟静力试验，研究套筒内部灌浆缺陷对装配式构件抗震性能影响。本文以某地铁车站钢筋混凝土轨顶风道预制装配为例，基于有限元分析，研究套筒灌浆端部缺陷、中部缺陷、底部缺陷及钢筋偏心缺陷对地铁车站装配式轨顶风道力学性能及钢筋螺栓应力分布等影响，为套筒灌浆连接在地铁车站预制装配式轨顶风道建设应用提供参考。

1 地铁车站装配式轨顶风道概况

某地铁车站为地下二层岛式车站，跨道路与高架桥交汇路口(图1)。车站外包长度181 m，标准段外包宽度19.7 m，基坑深度15.8 m，覆土厚度3 m，基坑与高架桥墩距离最近11 m，高架下方部分站体采用逆做顶板施工，其余部分均采用明挖法施工。

该地铁车站轨顶风道悬挂于车站中板与结构侧墙交接处，采用预制钢筋混凝土构件进行装配施工：地面预制后吊运至地铁车站内部，经水平运输至安装位置，并进行托举顶升拼装。装配式轨顶风道采用钢筋混凝土，共33件用于拼装的单块构件，每构件均包括底板、高墙、低墙(如图2所示)，悬挂于车站中板和结构侧墙交接位置。此外，预制轨顶风道构件混凝土等级为C35，保护层厚度为30 mm，配筋如表1所示。

图1 地铁车站平面布置图

表1 预制轨顶风道配筋

图2 单块构件及装配节点

2 装配式轨顶风道解析模型

为分析套筒灌浆缺陷对地铁车站装配式轨顶风道力学性能的影响，采用有限元分析，解析无套筒灌浆缺陷轨顶风道钢筋螺栓、套筒等应力分布，并分析存在套筒灌浆缺陷轨顶风道钢筋螺栓及螺栓孔洞应力分布。单块构件计算模型如图3 所示。

图3 单块构件模型

混凝土、灌浆料、螺栓及套筒均采用实体单元，钢筋采用可与实体网格自动耦合的钢筋单元，垫块、螺母、混凝土考虑接触作用，钢材间的界面摩擦系数取0.45，混凝土与钢材界面摩擦因数取0.6[14]，且钢材与混凝土体界面考虑粘结滑移特性。灌浆料拌合物具有自流性好、高强度、无收缩、易施工等特性，实测C40级灌浆料抗压强度、抗拉强度分别为30.0 MPa和2.3 MPa。轨顶风道配筋采用表1所示参数，材料参数见表2。此外，装配式轨顶风道施加1.2 kN/m2风压荷载和2 kN/m2内部检修荷载[15]。

表2 材料参数

3 轨顶风道力学性能解析

3.1 无灌浆缺陷轨顶风道力学性能

3.1.1 轨顶风道内部应力

图4分别为无套筒灌浆缺陷风道单块构件与拼装构件应力分布。从图4可见，预制单块构件和拼装构件均受拉应力，风道应力呈对称分布且应力由中间向两侧逐渐递减，单块构件最大应力为0.6 MPa，拼装件最大拉应力为1.5 MPa，低于混凝土抗拉强度。此外，套筒灌浆连接处应力较大、出现应力集中，最大拉应力位于套筒灌浆连接边缘处。

图4 轨顶风道应力分布

图5为钢套筒灌浆连接应力分布。钢筋螺栓最大应力位于螺栓中部，为4.2 MPa(位于螺栓中部)，远小于螺栓抗拉强度。此外，钢套筒所受拉应力由顶部向底部逐渐增大，套筒底部应力最大(2.8 MPa)，但小于钢套筒抗拉强度。灌浆料所受拉应力较小，底部拉应力最大(0.8 MPa)，低于C40级灌浆料抗拉强度。

3.1.2 轨顶风道变形

图6为施加重力荷载、风荷载及内部检修荷载条件下钢筋灌浆套筒位移分布。从图6可见，钢筋灌浆套筒连接构件最大变形位于钢筋螺栓底部与风道粘结处(位移值为0.02 mm)，最小变形位于钢管与灌浆料处。此外，低墙处螺栓中部到底部变形相较于高墙处变形增加。

图5 钢套筒灌浆连接应力

图6 钢套筒灌浆连接位移分布

3.2 存在灌浆缺陷轨顶风道力学性能

实际施工中，气泡、堵塞、漏浆等原因均可能导致灌浆缺陷的出现，影响构件甚至结构性能。本文主要分析存在灌浆条件下缺陷轨顶风道力学性能。图7为存在套筒端部缺陷、套筒中部缺陷、套筒底部缺陷及套筒钢筋偏心缺陷4种情形，灌浆缺陷设定为20 mm，钢筋偏心设定为5 mm。

图7 套筒灌浆缺陷示意图

3.2.1 轨顶风道变形

图8为存在灌浆缺陷轨顶风道沿水平向(图3所示)位移。从图中可见，灌浆料端部缺陷、中部缺陷、底部缺陷及偏心缺陷时，最大位移均出现于风道中部(分别为0.162，0.160，0.161和0.163 mm)。此外，存在缺陷风道位移曲线与无灌浆缺陷风道位移曲线相似，表明套筒灌浆缺陷对风道变形影响较小。

图8 存在灌浆缺陷轨顶风道位移

3.2.2 钢筋螺栓应力与套筒灌浆连接应力

图9为存在灌浆缺陷轨顶风道钢筋螺栓内部应力分布。存在灌浆缺陷情形下，钢筋螺栓均受拉应力作用。除灌浆底部缺陷情形外，存在套筒灌浆端部缺陷、中部缺陷、偏心缺陷情形的钢筋螺栓最大应力均出现于套筒底部(图2)，分别为5.1，4.4和5.6 MPa。存在底部缺陷情形，钢筋螺栓最大应力从灌浆缺陷上移至灌浆料与钢筋接触处，且最大应力为4.6 MPa。存在灌浆缺陷情形下，钢筋螺栓应力皆有不同程度增长，但均小于钢筋屈服应力。

图9 存在灌浆缺陷钢筋螺栓应力分布

图10 存在套筒灌浆缺陷的灌浆连接及两侧应力

图10为存在套筒灌浆缺陷的灌浆连接处(对应于图中水平轴100 mm)及两侧应力。从图中可见，存在套筒灌浆端部缺陷、中部缺陷、底部缺陷及偏心缺陷情形，套筒灌浆连接处均为拉应力，最大应力均位于其边缘(分别为1.79，1.76，2.42和1.64 MPa)。存在套筒灌浆缺陷情形，套筒灌浆连接周边应力明显增大、出现应力集中现象，且套筒灌浆底部缺陷的灌浆连接边缘处应力达到2.42 MPa，大于所用混凝土抗拉强度，致使孔洞周边混凝土易出现破坏，影响结构安全。

4 结论

1) 采用套筒灌浆连接的装配式轨顶风道，套筒灌浆连接处周边应力明显增大、出现应力集中，钢套筒及灌浆料所受拉应力由顶部向底部逐渐增大。此外，与无套筒灌浆缺陷情形类似，套筒灌浆缺陷对轨顶风道变形影响较小。

2) 存在套筒灌浆底部缺陷的套筒灌浆连接边缘处应力可达2.42 MPa，大于该工程所采用混凝土抗拉强度，致使套筒灌浆连接周边混凝土易出现破坏，影响结构安全。因而，装配式轨顶风道采用套筒灌浆连接，应减少套筒灌浆缺陷，尤其须规避套筒灌浆底部缺陷。

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Study on mechanical properties of assembled air duct in metro station considering the effect of sleeve grouting defect

LIU Bocheng1, DING Jian1, MO Zhenze1, YANG Tian1, MEI Jun2, LI Bingchen3, ZHANG Yongxing3

(1. Wuxi Metro Group, Jiangsu Wuxi 214131, China; 2. Shanghai Tunnel Engineering Company, Shanghai 200232, China; 3. Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

In order to grasp the influence of sleeve grouting defect on assembled rail top duct of metro station, the finite element numerical simulation was used in this paper, in which four common defects of sleeve grouting were selected, including end defect, middle defect, bottom defect and eccentric defect of reinforcing bar, and the mechanical properties of assembled rail top duct with sleeve grouting defects and the stress changes of steel bolts were studied. The results show that stress concentration occurs at sleeve grouting connection, and the tensile stresses of steel sleeve and grouting material increase gradually from top to bottom, when sleeve grouting is used to connect the assembled rail top air duct. Similar to the case without sleeve grouting defect, sleeve grouting defect has less influence on the deformation of rail top duct. Especially, the edge stress of sleeve grouting connection with bottom grouting defects is even greater than the tensile strength of concrete, which causes the surrounding concrete of sleeve grouting connection to be likably damaged and the structural safety to be affected. The research results can provide references for the application of sleeve grouting connection in the construction of prefabricated rail roof ducts in Metro stations.

subway station; air duct; sleeve grouting; grouting defect; mechanical performance

U455.7

A

1672−7029(2019)11−2809−06

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.11.021

2019−01−22

国家自然科学基金资助项目(51508279)

张永兴(1981−)，男，江苏扬州人，教授，博士，从事隧道与地下工程研究；E−mail：zhanguongxing81@aliyun.com

(编辑 蒋学东)