装配式车站出入口环框预制结构沿车站纵向的受力分析

吴成刚， 罗杰俊， 林 放

(北京城建设计发展集团股份有限公司， 北京 137000)

0 引言

近年来,装配式地铁车站建造技术在国内发展迅速，杨秀仁等[1-2]对装配式车站存在的问题进行了系统研究分析。出入口环框结构是装配式车站的重要组成部分，采用预制结构可实现装配式车站结构连续拼装，提高拼装效率。预制环框结构在拼装过程中，存在多个工况，受力较为复杂，因此,需要分析预制环框结构沿车站纵向的受力特点。探明预制环框结构从施工到使用各阶段的受力状态及其变化规律，是实现装配式车站连续快速拼装、确保施工安全的重要基础。

目前,对地铁车站附属接口处的力学行为研究多针对现浇车站及暗挖车站。郭正伟等[3]以明挖现浇地铁车站与风道接口结构设计问题为研究对象，结合相关理论及实际工程设计经验，从结构布置、抗浮等角度展开分析与探讨。刘元杰[4]通过典型明挖现浇地铁车站三维数值计算，得到了车站主体结构开孔前与开孔后的内力结果，总结了板墙开孔对主体结构内力的变化规律。何翊武等[5]采用有限元数值分析模型对暗挖车站大断面拱形断面附属接口开洞影响进行了研究。但是，针对装配式地铁车站附属结构的研究还比较少; 同时，装配式车站的拼装工艺与现浇车站、暗挖车站的施工工艺不同，结构形式不同，荷载模式不同。因此，装配式车站附属接口处的受力特点明显区别于现浇车站和暗挖车站。本文以深圳地铁某装配式车站为工程背景，在杨秀仁等[6-8]、丁鹏等[9-10]对装配式车站的研究成果基础上，对装配式车站出入口环框结构进行研究,分析环框结构从施工到使用各阶段的受力模式及边界条件、环框结构同顶板构件之间的接缝注浆、对环框结构承载的影响以及环框结构在不同工况下的受力状态。通过对装配式地铁车站出入口环框受力特点的研究，以期为后续装配式车站环框结构设计提供可借鉴的经验和方法。

1 装配式车站概况

1.1 车站断面型式

装配式车站结构断面采用站厅无柱、站台有柱、拱顶直墙结构型式，结构总宽度为22.3 m，结构总高度为17.35 m。车站断面分块主要为： 顶板1块、侧墙2块、中板1块、底板1块、站台层设置预制中梁及中柱。装配式车站结构横断面如图1所示。

图1 装配式车站结构横断面图(单位: m)

1.2 出入口环框设计方案

1.2.1 环框结构设计

装配式地铁车站附属接口开口方式与盾构隧道管片开口方式不同。盾构隧道预制管片主要通过切割混凝土管片或拆除部分钢管片2种方式形成侧向开口。本装配式地铁车站为大跨拱形断面，若采用切割方式对预制构件进行开口，由于开口宽度较大，需要连续开8 m的跨度，对车站拱顶结构受力影响显著，将导致结构受力集中和变形过大，造成结构体系失稳; 此外，在实际施工中切割或者拆除预制构件施工风险大,在拆除过程需要架设大量的临时支撑，车站结构断面较大，层高较大，增加了构件拆除的风险。为避免预制装配式地铁车站后期开口出现上述问题，装配式地铁车站采用特殊预制环框结构的方式来实现车站接出入口的功能要求。采用预制环框后，通过合理确定环框结构的高度和同顶板、侧墙的连接位置及连接方式，使出入口范围顶板结构同标准段顶板构件保持一致，仅需在出入口段设置短侧墙结构，以匹配出入口环框设计。通过设置出入口环框可实现装配式车站构件拼装的连续性，避免了后期出入口位置的切割，提高了施工效率，降低了施工风险。

装配式车站单环环宽2 m，在出入口接口处采用预制环框结构。出入口环框设计需满足出入口结构使用及管线布置的要求，由环框顶、底梁结构高度，建筑使用净空以及单环构件环宽模数共同确定环框结构的设计参数。出入口预制环框总宽8 m，结构净宽7 m，结构高度为5.1 m。装配式车站出口环框示意如图2所示。

图2 装配式车站出口环框示意图(单位: m)

预制环框结构通过设置竖向凹凸榫槽以及张拉装置与上部拱顶预制构件、下部侧墙预制构件进行竖向连接。竖向凹凸榫可实现预制构件的快速拼装，同时可有效传递施工、使用过程中的荷载。在接缝注浆之前，通过环框结构与顶板、短侧墙的竖向连接来确保结构的稳定。待接缝注浆完成后，环框结构同顶板结构形成一个整体。环框结构与前后相邻标准环侧墙构件通过侧面的凹凸榫及侧墙张拉装置进行连接，使环框与侧墙预制构件在纵向上成为整体。同时施加预加轴力压紧橡胶密封垫，对接缝进行注浆密封，以保证环框结构与相邻预制构件接缝的防水性能。为确保纵向连续拼装更加平稳、顺利和安全，可以采取在环框内设置竖向钢支撑的临时措施，使结构施工更加安全可靠。出入口预制环框结构如图3所示，其几何尺寸如表1所示，材料为C50混凝土并内置型钢。

图3 出入口预制环框结构

表1 出入口环框预制构件尺寸

1.2.2 环框结构施工工序

环框结构主要施工步序如图4所示。由图可知，环框结构连续拼装施工步序为： 拼装全部底板—拼装环框结构前一环侧墙及顶板—拼装环框结构范围内下部短侧墙—拼装环框结构—拼装环框结构范围中楼板—拼装环框结构上部顶板—拼装环框结构后一环侧墙及顶板。

(a) 环框结构拼装 (b) 顶板拼装

(c) 顶板覆土 (d) 出入口施工并覆土

2 环框结构力学模型

2.1 安装环框阶段荷载模式

装配式车站出入口段主要施工步序如下： 1)完成环框范围的底板构件及环框下部侧墙构件拼装； 2)拼装环框预制构件以及环框范围的中板构件； 3)拼装环框范围的拱顶块，接缝注浆； 4)车站剩余装配段拼装，车站顶板覆土； 5)后期出入口现浇段施工并与出入口环框连接，出入口施工完成。

出入口环框在吊装就位后主要承受结构自重。该阶段环框结构同底部侧墙及前环侧墙通过环向凹凸榫槽及纵向凹凸榫槽进行连接，环框底部约束主要为竖向支撑作用。在邻近后续侧墙的位置环框结构为自由面。在此状态下，依次吊装拱顶结构，该阶段拱顶结构自重均由环框结构进行承载。该过程中，荷载增量为环框梁自重及顶板自重荷载。安装阶段环框结构荷载模式如图5所示。

图5 安装阶段环框结构荷载模式

2.2 覆土阶段荷载模式

拱顶预制构件拼装完成后，整个车站结构形成封闭的环形断面。后续侧墙及拱顶构件可按标准环步序进行后续构件的拼装，并对已拼装成环的结构进行接缝灌浆。灌浆材料采用改性环氧浆液，要求具有较好的初黏度以及较长的初凝期，以便接缝灌注密实; 同时要求注浆材料黏结强度高、胶体性能及耐老化性能强。通过对接缝的灌浆处理，拱顶构件在纵向张拉钢棒的预紧力作用下，纵向刚度增加，构件不再是单块的散体结构; 同时,构件拼装、接缝注浆完成后，其整体刚度增加，出入口环处顶板结构受前后顶板约束作用增强。另外，出入口环框结构同顶板及前后侧墙结构的连接，尤其是环框结构同顶板构件通过凹凸榫的连接以及高强度灌浆材料的连接，具有较强的咬合力以及黏结力，沿车站纵向环框结构和顶板构件之间抗滑移能力增强，这将使环框结构同顶板构件形成整体，共同抵抗后续外部荷载。其结构受力机制同仅考虑环框结构承担所有荷载的模式有所区别。先施作的环框结构和后施作的顶板结构，通过有效的连接方式形成整体共同承载。在该过程中，荷载增量为顶板及侧墙区域水土压力。覆土阶段环框结构荷载模式如图6所示。

图6 覆土阶段环框结构荷载模式

2.3 附属结构施工完成阶段荷载模式

附属结构施工完成阶段主要包括接环框的出入口结构施作完成，并回填出入口上部土体。出入口环框需承担因附属土体回填引起的水土压力。考虑到出入口结构同环框结构是通过钢筋接驳器钢性连接，该阶段环框结构、顶板结构及出入口结构共同承载外部水土压力。在该过程中，荷载增量为附属结构自重及其区域内的水土压力q3。

2.4 环框结构受力模型分析

考虑环框结构从施工过程到使用过程其结构的边界约束条件、整体刚度、外部荷载均存在变化，结构计算采用增量法。下面对该计算模式进行具体分析。

(1)

(2)

(3)

可以得出最后完成阶段环框梁的总位移为：

x=x1+x2+x3。

(4)

3 环框结构受力分析

3.1 计算模型

MIDAS/GTS是一款主要模拟岩土工程与隧道工程的三维有限元分析软件，通过激活单元可有效模拟施工阶段的受力以及结构刚度的变化[11]。采用MIDAS/GTS NX对环框结构安装环框梁、拼装顶板、覆土回填、施作出入口及覆土回填4个不同施工阶段进行模拟，分析环框梁结构内力、变形的特点，同时分析在环框内架设临时竖向支撑工况对结构受力的影响，为设计方案提供理论支撑。

根据第2节所述情况，建立基于“荷载-结构”模式的三维有限元计算模型如图7所示。环框梁模型尺寸参照表1的实际尺寸，环框立柱与环框顶底梁周边构件的接缝采用转动弹簧、轴向弹簧和剪切弹簧单元进行模型，根据文献[1]选取接头的刚度(分别为1.06×106 kN·m/rad,1.0×108 kN/m，7.57×107 kN/m)对环框结构的受力进行模拟。顶部荷载按顶部覆土3 m考虑。

图7 结构计算有限元模型

3.2 计算结果分析

通过对预制环框结构不同工况下的受力分析，得出预制环框的内力如表2所示。图8示出不设钢支撑覆土回填工况下环框结构的内力。计算结果表明，环框结构主要受力构件为顶板横梁结构，其跨中、支座弯矩较大； 立柱弯矩仅在支座位置存在，沿立柱从上至下衰减较快，主要原因是环框前后侧墙结构对其纵向约束较强。

表2 内力计算结果分析表(单环构件)

(a) 弯矩图(单位： kN·m)

(b) 轴力图(单位： kN)

(c) 剪力图(单位： kN)

图9—11分别示出不同施工工况下环框结构弯矩、位移的变化规律。结果表明，不设置临时竖向钢支撑方案下，环框梁在自重工况下弯矩较小，在施作顶板工况下，顶板与环框梁接缝注浆尚未完成，环框梁单独承受顶板压力，此时环框梁顶梁跨中弯矩和支座弯矩增量分别为1 273 kN·m和1 206 kN·m。在顶板覆土回填工况下，环框梁与顶板已形成整体结构，二者共同承受结构自重及顶板上部水土压力，此时环框梁顶梁跨中弯矩和支座弯矩增量分别为397 kN·m和370 kN·m。在施作出入口并覆土回填工况下，跨中弯矩和支座弯矩增量分别为75 kN·m和70 kN·m。

设置钢支撑方案下，设置钢支撑的环框梁在自重工况下顶梁弯矩很小。在施作顶板工况下，顶板与环框梁接缝注浆尚未完成，环框梁与钢支撑共同承受顶板荷载，此时环框梁顶梁跨中和支座弯矩增量分别为209 kN·m和227 kN·m。在顶板覆土回填工况下，环框梁、顶板及钢支撑三者共同承受结构自重及顶板上部水土压力，此时环框梁顶梁跨中弯矩和支座弯矩增量均为67 kN·m，拆除钢支撑工况下，弯矩增量为1 093 kN·m和979 kN·m。施作出入口并覆土回填工况下，跨中弯矩和支座弯矩增量分别为76 kN·m和70 kN·m。

图9 环框梁跨中弯矩变化曲线

图10 环框顶梁支座弯矩变化曲线

图11 环框顶梁位移变化曲线

通过以上内力变化分析可知： 环框梁与顶板形成整体以后，后期荷载增量导致环框梁弯矩增量较小。施工出入口阶段竖向荷载增量导致环框梁弯矩增量较小(有钢支撑工况下弯矩增加4%，无钢支撑工况下弯矩增加5%)。设置钢支撑避免了环框梁作为独立结构承担施工过程中的全部荷载，由环框梁承担的荷载较小。

对比环框梁有无钢支撑的方案，发现在不设置钢支撑方案下,当施作顶板且顶板与环框梁接缝注浆尚未完成时，环框梁顶梁跨中及支座最大弯矩分别为1 397 kN·m和1 326 kN·m; 而设置了钢支撑的方案下，该工况环框梁顶梁跨中及支座最大弯矩分别为226 kN·m和247 kN·m，弯矩减少了83%和81%。当车站主体施作完成，覆土回填工况下,弯矩最大为293 kN·m和314 kN·m; 拆撑钢支撑后，弯矩最大为1 386 kN·m和1 293 kN·m，弯矩有所增大，此时环框梁与顶板已浇筑为整体，满足受力要求。可见，在环框梁中设置钢支撑能够很好地辅助环框梁抵抗顶板传递下来的荷载。由此可见，设置临时钢支撑措施能够使环框结构受力更趋合理。

4 结论与讨论

通过对出入口环框结构施工阶段及使用阶段受力特性进行分析，可得出以下结论。

1)出入口环框结构存在3个主要受力阶段： 施作顶板阶段、榫槽注浆完成顶板覆土阶段、附属结构施工完成阶段。

2)出入口环框顶梁结构受力是整个环框的重点，其跨中、支座弯矩较大。

3)环框结构在施工阶段独立承载自重以及顶板自重荷载，该阶段环框结构受力占比较大，在后续工况中其内力增加较小。

4)环框内架设临时支撑，能进一步降低环框结构施工阶段独立承载时间，可有效减小环框结构的内力及变形。

装配式车站出入口采用预制环框结构，通过榫槽注浆环框与顶板形成结构整体后，共同抵抗后续工况中各项荷载，可以满足装环框结构在出入口段连续拼装施工及长期使用各阶段的受力要求。下一阶段将结合环框结构现场施工对受力及变形进行监测。