双跨无柱装配式地铁车站结构力学特性分析

宋 冉,张继清,崔 涛,郭剑勇

(1.中国铁路设计集团有限公司,天津 300251； 2.城市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程实验室,天津 300251)

1 概述

轨道交通地下区间采用装配式的盾构技术已经较为成熟，但地铁车站仍主要以明挖、盖挖施工为主。传统的明挖车站存在施工条件困难、工程量大、工期较长、施工质量难以保证等问题[1-3]。采用构件工厂化生产、现场智能拼装的装配式结构是轨道交通发展的重要方向，因此，需要以全新的思维思考地下车站设计，发挥装配式地铁车站在轨道交通结构中设计和施工的优势，并对其可行性进行研究[4-5]。

国外已对预制装配式技术在高速铁路、地铁隧道和各类市政管线中的应用进行了大量研究[6-9]，国内前期主要对半预制半装配地下结构进行研究[10]。随着装配式预制技术的发展，目前已有不少学者对装配式地铁车站结构形式及受力特性开展研究工作。陶连金[11]采用ABAQUS软件对长春地铁袁家店装配式地铁车站在不同支撑方式下的结构整体受力和接头变形情况进行计算研究；李向海[12]采用MIDAS软件分别对拱形和矩形装配式地铁车站受力性能进行有限元分析计算，结果表明拱形结构车站受力性能更优；刘建洪[13]对双层双跨、双层单跨地下车站框架结构进行设计方案的优化，采用数值模拟方法分析了上述2种结构在施工过程中的力学特性，并从装配条件、施工便捷性、使用功能和经济性等多方面进行了分析；钟春玲[14]建立了装配式地铁车站节点有限元模型，研究车站结构节点在低周期反复荷载作用下的应力、应变变化规律和抗震性能；苏会锋[15]、李兆平[16]、杨秀仁[17]对全装配式地铁车站榫槽式接头的抗弯承载能力分别进行了试验研究，并对接头尺寸、注浆范围影响下的接头抗弯刚度进行了数值模拟分析；丁鹏[18]以长春地铁袁家店装配式地铁车站为例，采用有限元分析手段，对车站结构分块进行闭腔优化，闭腔构造有效减轻了车站分块的自重，且满足结构的安全性和可靠性要求。

上述研究成果中，通过数值模拟和试验研究手段对不同结构形式的装配式地铁车站受力性能进行了分析，结构形式大多与现浇车站相类似，对于如何更大程度地发挥装配式结构的优势，还需要进一步研究。在现有的研究基础上，结合某工程实际需求，考虑结构、建筑、空间、轨道与管线等综合因素，提出双跨无柱装配式地铁车站结构方案，利用数值模拟方法，建立含纵、横向连接接头的多幅装配式地铁车站三维精细化有限元计算模型，分析车站整体及各接头处的受力、变形结果，验证结构安全性和稳定性。

2 装配式地铁车站结构方案

2.1 工程概况

某工程车站场地地势较为平坦，地面高程2.88～4.08 m。地层主要为第四系人工填土层、第四系海陆交互相淤泥、第四系上更新统粉质黏土、中粗砂、硬塑状砂质黏土及全～中风化岩。

地下水主要为孔隙潜水和上层滞水，其中砂层为主要含水层，富水性和透水性较好，其他为弱透水层。抗浮水位设置于地面。

车站为地下二层岛式站台，站台宽度11 m，结构上部覆土3 m，标准段基坑深16.53 m。两端盾构井与部分标准段为现浇结构，其余部分为预制装配式结构。工程区域土体力学特性参数见表1。

表1 土体物理力学参数

2.2 结构方案

装配式车站采用双层岛式无柱结构，主体结构标准段总宽度为20.1 m，高13.28 m。采用无柱方式需解决结构大跨受力问题，结构设计综合考虑空间利用、减轻结构分块自重和结构使用便利等因素。

车站结构横断面分为6块，如图1所示。

图1 装配式地铁车站结构横断面(单位：mm)

底板中部与站台板组成一体化箱梁结构，两侧与整体道床组合为一体结构。底板A块和底角板B块之间设置凹凸榫，接头通过螺栓连接。中板采用鱼腹形式的空间结构，利用结构空腔设置风道。侧墙C块和中板D块通过牛腿连接，牛腿插入锚栓实现连接。顶板采用中空的“T”形拱形结构，并在拱脚外侧空间设置结构风道。顶角板E块和顶板F块通过榫槽和螺栓连接。侧墙C块和底角板B块、顶角板E块均通过凹凸榫和预应力钢棒连接。预制装配段纵向幅宽1.5 m，纵向2幅之间通过凹凸榫和精轧螺纹钢连接。

车站各分块的施工安装顺序为：A块与B块→B块与C块→C块与D块→C块与E块→E块与F块，横向成幅后进行下一幅的拼装，并采用精扎螺纹钢进行幅间纵向连接。安装过程中应严格控制各分块的安装精度，底板基础在垫层中设置槽钢轨道，精度控制在±2 mm；构件底部预安装定位角钢，使其纵向平移过程中的横向偏差控制在±5 mm；底板构件在首环端部设置定位架作为基准，保证底板构件的纵向位置精确；待安装构件精准就位于安装台车，台车轨道定位要精确。

3 有限元计算模型建立

由于该装配式地铁车站结构形式较复杂，且存在楼扶梯开洞位置受力情况不明确的问题，为全面地模拟车站整体的受力和变形情况，采用大型通用有限元软件ABAQUS，对装配式车站的整体刚度、强度和稳定性进行分析计算。

3.1 计算条件和荷载

装配式车站主体结构均采用C50混凝土，主体结构横断面各分块间采用3根8.8级螺栓进行连接，螺栓尺寸φ30 mm；侧墙上、下及纵向凹凸榫间采用φ32 mm的PSB830钢棒连接。车站结构材料的物理力学参数见表2。

表2 材料物理力学参数

图2 结构计算荷载

图2为此次计算的荷载模式和计算得到的荷载值，结构重要性系数取1.1，基本组合下永久荷载分项系数为1.35、可变荷载为1.5；标准组合下永久荷载分项系数为1.0、可变荷载为1.0。

分别采用水平线弹簧和竖向线弹簧模拟地层对结构的水平位移和底板垂直位移的约束作用。结构底部竖向线弹簧仅承受压力，侧墙部分水平线弹簧仅承受压力。基坑底土层基床系数取44 MPa/m；侧墙处土层水平基床系数取30 MPa/m。

3.2 计算模型

基于CAD-CAE集成技术，采用精细化建模方法，建立能够反映装配式地铁车站工程主要结构特征的有限元“荷载-结构”数值模型。结构受力和变形分析计算采用三维精细化有限元模型，如图3所示。模型纵向共计16幅(长24 m)，中板楼扶梯开洞及底板扶梯基坑位于第7～12幅处。采用本构模型包括弹性模型(模拟混凝土材料)、经典金属弹塑性本构模型(Classical metal plastic model)(模拟螺栓、预应力钢棒等金属材料)。主体结构各分块混凝土均采用实体应力/位移单元C3D8R模拟，横断面分块间采用螺栓连接，每个接头处单幅纵向布置3根螺栓，侧墙连接使用预应力钢棒，负一层为2根，负二层为3根，螺栓和预应力钢棒采用杆单元(T3D2单元)模拟。分块间的连接关系，采用“面-面接触”模型，切向为滑动摩擦，法向为硬接触关系。连接构件如螺栓、预应力钢棒可通过施加温度场的方式模拟预应力[19]，并通过嵌入接触关系模拟其与混凝土的相互作用关系。有限元模型共有节点145 582个，实体单元96 262个，线单元704个。

图3 三维精细化有限元模型

计算模型坐标系为笛卡尔坐标系，x向沿车站横向方向，y向为竖直方向，竖直向上为正，z向沿车站纵向方向，符合右手螺旋定则。

4 计算结果分析

对结构使用阶段的变形模式(整体变形和接头处局部变形)、连接螺栓和预应力钢棒的应力、典型断面的内力进行分析，从而判定装配式地铁车站使用阶段的整体刚度、强度和稳定性。

4.1 结构变形结果分析

图4和图5分别为车站结构整体和各接头处的变形云图。车站结构以竖向变形为主，表现为顶板和中板向下变形，底板稍有隆起。水平变形整体较小，主要发生在负一层和负二层侧墙部位，表现为侧向内鼓。

图4 车站结构整体变形云图(单位：m)

图5 标准断面接头变形云图(单位：m)

表3和表4分别总结了结构的整体变形和接头处变形。

挠度控制值按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》3.4.3中的规定，按照l0/300计算，其中l0为板的计算跨度。

表3 车站结构整体变形结果 mm

表4 接头连接处变形结果 mm

由表3和表4可知：车站顶板和中板的变形较大，最大变形值为13 mm左右，满足挠度和变形要求；各接头连接处的张开量和错台量均小于1 mm，接头变形量小，说明了该方案下装配式车站接头连接具备有效性。

4.2 结构受力结果分析

(1)主体结构混凝土受力分析

图6 主体结构混凝土应力云图(单位：Pa)

图6为装配式地铁车站主体结构混凝土应力分布云图。由图6可知，主体结构混凝土应力分布在25.62 MPa之内，最大应力出现在顶板与侧墙过渡段，主要是由于结构断面形式变化和网格质量引起应力集中，其余位置混凝土应力均未超过C50混凝土的抗压强度设计值23.1 MPa。

(2)连接接头受力分析

表5给出了接头螺栓及侧墙预应力钢棒的受力结果。

表5 接头螺栓及侧墙预应力钢棒受力结果

螺栓的初始预拉力设定为100 kN。侧墙E块侧墙位置与顶板风道接头处螺栓最大拉应力为418.9 MPa，为屈服应力640 MPa的65.5%；其他部位连接螺栓最大拉应力为202.6 MPa，等效拉力为143.2 kN。单根螺栓屈服拉力为452.4 kN，为屈服拉力的31.7%。

预应力钢棒的初始预拉力设定为300 kN。负二层侧墙预应力钢棒的最大拉应力为387.9 MPa，等效拉力为311.9 kN。单根预应力钢棒的屈服拉力为630 kN，为屈服拉力的49.50%。负一层侧墙预应力钢棒的最大拉应力为389.0 MPa，等效拉力为312.8 kN。单根预应力钢棒的屈服拉力为630 kN，为屈服拉力的49.64%。

(3)典型截面内力分析

图7为内力分析的典型截面示意。各典型界面的内力值见表6。

图7 内力分析典型截面示意

表6 典型截面内力计算结果

由表6可知，装配式车站结构底板跨中为整个车站横断面内力最不利截面，根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》6.2条计算得到底板跨中截面在承受1 253 kN轴力时的极限弯矩为8 340 kN·m，底板弯矩小于极限弯矩。其余截面经验算，内力均满足承载能力要求。因此，装配式车站结构受力满足截面承载能力要求，底板跨中采用箱形结构在减轻自重的情况下可承担较大的内力。内力计算结果可用于指导结构配筋计算。

4.3 车站整体及局部抗浮验算

对于装配式地下车站结构，由于接头的存在，需考虑车站的整体抗浮能力和底板接头局部抗浮能力[20-21]。

根据前述条件及计算结果，得到单幅车站的结构自重为2 491.2 kN，结构覆土1 809 kN，水浮力4 974.7 kN，围护结构自重1 230 kN，桩侧极限抗拔力标准值和特征值分别为3 350.25 kN和1 675.13 kN，考虑地连墙自重和桩侧阻力参与抗浮，抗浮安全系数为1.448，大于1.15，由此判断，车站整体满足抗浮要求。在整体抗浮满足要求的条件下，底板A块与B块之间的纵向错台量仅为0.338 mm，满足局部抗浮的要求。

5 结论

依托某工程地下二层岛式车站，设计了双跨无柱装配式地铁车站结构，车站横分块间采用“凹凸榫+预应力钢棒”连接，纵向幅间采用“凹凸榫+精轧螺纹钢”连接。借助三维有限元计算软件，对车站结构的整体及局部接头变形、受力情况进行了分析研究，得到如下结论。

(1)装配式地铁车站结构表现为“竖向整体向下、水平内鼓”的变形模式，最大水平位移位于楼扶梯断面侧墙—顶板相交处，为3.38 mm，最大竖向位移出现在顶板跨中，为13.75 mm。顶板和中板挠度均小于控制值，说明空心结构顶板和鱼腹梁结构中板的形式可有效地减轻自重，保证车站结构满足变形控制要求。

(2)车站结构横断面各分块间接头均发生一定程度的张开或错台，最大张开量为0.95 mm，位于侧墙(C块)与中板连接处；最大错台量为0.93 mm，位于侧墙与底板连接处，各分块间张开量和错台量均小于1 mm。接头变形整体较小，可保证接头防水的有效性，在满足车站整体抗浮稳定性的前提下，底板接缝变形很小，保证了分块间的局部抗浮能力。

(3)车站主体结构混凝土除局部存在应力集中外，均满足混凝土抗压强度设计值要求。接头连接处螺栓最大应力为418.9 MPa，负一层和负二层侧墙预应力钢棒最大应力为389.0 MPa，螺栓和钢棒受力均小于屈服应力。车站结构整体受力满足材料强度要求，底板采用箱形结构在减轻自重的情况下可承担较大的内力，结构受力可靠。

该装配式地铁车站结构形式能够满足变形控制要求，结构混凝土和连接钢筋满足强度要求，结构整体和局部均能保证稳定，整体受力分析结果可靠。