装配式地铁车站不同结构型式对注浆式榫槽接头的力学性能影响

林 放, 彭智勇

(1. 北京城建设计发展集团股份有限公司， 北京 100037； 2. 城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程研究中心， 北京 100037)

0 引言

装配式地铁车站有着巨大的节能减排作用[1]，施工期间占用场地较小，减少了交通导改带来的城市交通压力[2-3]；并且，采用预制装配技术建造地铁车站结构，减少了施工环节和现场作业人员[4-5]，大大提高了施工效率，缩短了施工周期，提高了施工安全性[6]。目前，长春已有6座地铁车站采用“全预制装配”建造技术施工完成并通车，另外还有5座车站主体结构已经施工完成，7座车站正在施工建设；深圳和青岛正采用该技术进行12座地铁车站的建造。上述装配式车站均采用了研究团队自研的新型接头——注浆式榫槽接头，见图1。研究团队通过接头原型试验[7]研究揭示了不同类型注浆式榫槽接头的承载性能[8-10]、弯曲抵抗作用特性[11]和注浆式榫槽接头的变刚度特性[12](接头的抗弯刚度随轴力的增加而增加； 在轴力固定的情况下，抗弯刚度随弯矩的增加而减小)。注浆式榫槽接头的这种变刚度特性势必会导致在不同外荷载下结构内力的调整，且不同城市采用的装配式车站结构型式不同，接头的承载性能和刚度表现也不同。接头是装配式结构的核心，不同的结构型式对接头承载和变形性能产生不同的影响；并且，接头在不同的结构型式下刚度表现不同，不同的接头刚度对结构内力调整作用也不同。

图1 注浆式榫槽接头示意图

针对装配式地铁车站和注浆式榫槽接头的研究主要集中在接头力学性能试验和理论分析、装配式结构模型试验和有限元数值计算[13-14]及注浆式榫槽接头注浆材料的研发[15]方面，而对不同接头刚度和装配式结构内力与变形关系、装配式结构型式与接头力学性能关系的研究较少。因此，研究不同装配式结构型式导致的不同接头刚度和承载能力与结构力学行为的相互影响关系，有利于接头和结构选型。

为研究结构型式与注浆式榫槽接头性能的影响关系，分别对铰接接头、变刚度接头、刚性接头和现浇结构4种结构型式建立数值分析模型，并将分析结果进行对比。另外，依托实际工程装配式车站结构选型，分析不同结构型式对注浆式榫槽接头承载性能的影响，并基于结果进行结构型式选择以及接头承载验算。

1 计算模型的建立

为简化分析工作，采用MIDAS GTS NX仿真计算软件建模，首先依托深圳装配式车站结构(见图2)，选择覆土厚度为5 m、相对偏软弱地层的装配式车站结构，在最终使用阶段工况分析不同接头刚度对结构内力的影响，土层从上到下依次为杂填土、粉质黏土、卵石、砾质黏性土，底板落在砾质黏性土上。

图2 深圳装配式车站结构(单位： m)

二维荷载-结构模型按装配式结构每环的宽度2 m作为单位结构参数的选取基础；结构单元按照实际工程采用的闭腔薄壁构件，对应实心截面和空心截面，如图3(a)所示。各截面编号位置见图3(b)。构件混凝土强度等级C50，顶板厚度1.2 m、高3.9 m，底板厚度1.0 m、高3.4 m，侧墙厚度0.8 m、高10.25 m，中板厚度0.45 m，中柱尺寸0.5 m×0.5 m。接头按变刚度的梁-弹簧单元进行模拟，接头刚度工况有纯铰接接头结构、实际工程变刚度接头结构、刚性接头结构和无接头的现浇结构4种。对于变刚度接头，为获得稳定的、与接头轴力和弯矩相匹配的接头刚度值，需要通过多次结构计算进行接头刚度迭代，见图3(c)。经过接头刚度多次调整迭代计算，结构轴力和弯矩逐渐趋于稳定[3]。纯铰接接头则直接释放接头部位的弯矩；刚性接头刚度采用与现浇结构等同的刚度计算；现浇结构为连续梁单元，无接头设置。

2 不同接头刚度结构内力和变形对比分析

图4和图5为4种模型结构的弯矩、剪力、轴力以及接头部位内力比较图。图6和图7为4种模型结构以及接头的水平和竖向变形比较图，其中，图7中的现浇模型接头部位是指装配式结构接头同位置内力和变形情况。

(a) Midas GTS NX模型以及截面示意图

(b) 截面编号位置

(c) 接头刚度迭代计算路线

(a) 弯矩

(b) 剪力

(c) 轴力

(a) 弯矩

(b) 剪力

(c) 轴力

经分析发现：

1)装配式结构非刚性接头的特性对结构体系弯矩影响显著。刚性接头比现浇结构弯矩降低较少，而注浆式榫槽接头这种非刚性变刚度接头弯矩较现浇结构弯矩有明显降低，上部BC接头降低约49.6%，下部AB接头降低约66.2%，体现出变刚度接头有较强的接头弯矩释放作用。

2)刚性接头装配式结构构件的弯矩与现浇结构的基本接近。非刚性变刚度接头装配式结构构件的弯矩因接头弯矩释放受到一定的影响，整环4块构件控制性截面弯矩幅值均有所降低，这说明采用变刚度接头，充分利用接头的弯矩抵抗作用，并允许通过微小的接头转角变形，可实现装配式结构体系控制弯矩的整体调幅。

3)采用纯铰接装配式结构在接头弯矩全部释放后，其弯矩均向构件转移，体现了构件弯矩与现浇结构的巨大差异，顶拱C构件跨中弯矩增加了25.7%左右。

4)在结构变形方面，无论是结构竖向变形或水平变形，均反映出变刚度接头比刚性接头和现浇结构增幅不大，而纯铰接结构的变形则显著大于前三者。因此，变刚度接头装配式结构的变形控制优势明显。

5)非刚性变刚度接头装配式结构的轴力和剪力基本不受接头的影响，与刚性接头装配式结构和现浇结构基本一致。

可见，无论从结构弯矩还是结构变形控制的角度考虑，装配式结构接头刚度都不宜过低，如纯铰接结构等。

(a) 水平变形

(b) 竖向变形

(a) 水平变形

(b) 竖向变形

3 结构选型对注浆式榫槽接头的力学性能影响分析

从不同接头刚度对装配式结构内力和变形的对比分析可以看到，基于变刚度注浆式榫槽接头连接的装配式地铁车站结构具有良好的变形和承载性能，如何利用接头变刚度特性进行不同装配式结构的方案比选，是接下来要讨论的问题。

3.1 计算方法

根据不同荷载施加条件，对初步选定的结构型式进行计算，接头刚度取值初始采用接头刚度最大的连续结构进行分析，求得对应每个接头部位的初始轴力和弯矩，以此初始内力计算出用于第2次计算的接头刚度值；根据第2次计算的内力值再次求得用于下次计算的接头刚度，直到接头刚度稳定在一个相对恒定的收敛值(见图3(c))，此时的结构内力即为考虑接头变刚度效应情况下的实际内力。

为便于刚度取值和承载能力校核计算，研究团队根据试验得到的不同型式注浆式榫槽接头3拐点4阶段承载特征曲线[8-10]、接头刚度特性[12]以及接头抗剪性能[6]，按承载阶段分别解析，提出了针对压弯作用下注浆式榫槽接头抗弯和抗剪承载能力简化设计计算方法[3]。为便于设计人员使用，将该解析算法用程序实现，形成了接头刚度取值及承载能力校核软件，可以便捷输出不同轴力和弯矩作用下的接头刚度用于结构迭代计算，并能进行不同轴力和剪力作用下的接头抗剪能力校核(见图8)。图中4条曲线分别代表： 完全线性段限界M1、类线性段限界M2、非线性段限界M3和最终极限承载线Mlim；Q为抗剪承载能力限值[6]。研究显示,线性段和类线性段都可作为承载阶段[8-10]，约占78%。

图8 注浆式榫槽接头计算软件

3.2 不同结构型式对接头的力学性能影响

以深圳16号线二期工程装配式车站高拱和坦拱方案比选为例(见图9(a)和(b))，从接头角度进行结构选型的探讨。采用同第1节的梁-弹簧模型，进行基于接头刚度迭代的结构计算。高拱和坦拱方案底板厚度均为1 m，顶板厚度1.2 m，侧墙厚度0.8 m，接头凸台均外扩400 mm，土层条件同第1节；高拱模型顶板长13.1 m+11.8 m，高4.45 m，侧墙高9.95 m，底板、中板和中柱同坦拱模型尺寸； 计算模型见图9(c)。

图10和图11分别示出了相同土层条件下不同埋深有水工况下高拱结构和坦拱结构AB和BC接头的受力对比。可以看到，坦拱距离曲线M1更近，BC接头比AB接头该现象更加明显，说明在高拱结构下AB接头比BC接头安全余量更多，但是高拱结构下顶拱接头安全余量表现弱于坦拱其他接头(见图12)。

图12和图13分别展示了高拱和坦拱在不同埋深条件下不同接头的受力状态。可以看到，除高拱AB接头5 m埋深安全余量高于埋深3 m和4 m，其余接头随着埋深增加安全余量降低，该现象在坦拱结构更加明显。图14以4 m埋深为例，展示了高拱与坦拱结构弯矩对比。可以看到，高拱顶板跨中由于矢高较高且跨中有接头弯矩释放作用，弯矩较坦拱小，拱脚支座处2种结构弯矩差不多；底板弯矩坦拱较高拱小。

(a) 高拱方案

(b) 坦拱方案

(c) 计算模型示意图

(a) 3 m埋深

(b) 4 m埋深

(c) 5 m埋深

(a) 3 m埋深

(b) 4 m埋深

(c) 5 m埋深

(a) AB接头

(b) BC接头

(c) 顶拱接头

综上，虽然坦拱的AB和BC接头更接近M1，但是考虑到所有接头均在M1之下，都处于线性阶段，安全余量都足够，且高拱方案的顶拱接头在埋深5 m情况下离M1比较接近，结合深圳地区的特点，为减少投资，需适当压低车站结构高度，且基于运输条件考虑，深圳装配式车站最终选定坦拱作为最终结构。

(a) AB接头

((b) BC接头

(a) 高拱结构

(b) 坦拱结构

4 接头计算校核

确定坦拱方案后，针对装配式车站各种类型接头在不同地质(包括软土、软岩、硬岩、半土半岩等)不同计算工况下进行验算，每步计算迭代都进行接头校核，工况涉及上百种。结果表明： 1)计算值均小于线性阶段限界M1，即接头内力和变形均处于承载特征曲线(M-θ曲线)的线性阶段； 2)各工况接头剪力最大值均在设计校核包络线之下，且离设计校核包络线(M2)还有很大余量(如图15和图16所示)。

(a) AB接头

(b) BC接头

(a) AB接头

(b) BC接头

由于工况较多，此处仅就最不利工况进行校核说明(见图17—20)。最不利工况土层情况为素填土、可塑状黏性土、砾质黏性土、全风化片麻状黑云母花岗岩，车站底板位于全风化片麻状黑云母花岗岩，车站结构拱顶覆土厚度3 m，地基为软硬不均匀条件。最不利工况作用阶段： 有水工况为水位恢复阶段，无水工况为覆土回填阶段。具体计算值和接头试验承载特征拐点值如表1—3所示。θ1、θ2、θ3和θlim分别代表转角完全线性段限界值、类线性段限界值、非线性段限界值和最终极限承载值。可以看到： 即使在最不利工况下，AB和BC接头内力和变形计算值均在线性阶段，剪力计算值距离承载极限还有相当大的安全余量。

(a) AB接头

(b) BC接头

(a) AB接头

(b) BC接头

(a) AB接头

(b) BC接头

(a) AB接头

(b) BC接头

Fig. 20 Checking for joints′ shear bearing capacity without water condition

表2 接头变形校核

表3 接头抗剪承载力校核

5 结论与建议

本文对比分析了纯铰接接头结构、变刚度接头结构、刚性接头结构和现浇结构4种结构型式的内力和变形； 依托深圳装配式地铁车站结构方案选型，进行了高拱结构和坦拱结构对接头承载性能影响的对比分析； 并对所选结构型式，利用承载特征曲线对各个接头的承载能力进行校核，得到主要结论与建议如下：

1)对于装配式地铁车站结构，由于接头的存在，结构整体刚度要小于同型现浇结构，有效释放了接头弯矩，使接头部位和结构构件的弯矩得到不同程度的降低，变刚度接头对结构的轴力和剪力影响不大，但对于预制构件弯矩的调幅作用明显，更加有利于提升结构的承载性能，增强结构体系的变形能力。

2)从结构弯矩和结构变形控制的角度考虑，装配式结构接头刚度不宜过低，如纯铰接结构等；刚性接头结构内力和变形与现浇结构较为接近，为保证其与连接构件基本等刚度，施作较为复杂，多数需要连接部位二次现浇混凝土，不建议在接头接缝较多的市政工程地下衬砌结构中采用。

3)不同的结构型式接头的承载性能和刚度表现不同。高拱结构的AB接头和BC接头安全余量较坦拱结构的大，但是高拱结构的拱顶接头在埋深5 m情况下离完全线性段限界M1比较接近。考虑到所有接头均在M1之下，都处于线性阶段，安全余量都足够，基于运输条件和降低投资角度考虑，深圳装配或车站最终选定坦拱作为最终结构型式。

4)注浆式榫槽接头因其变刚度特征适用于不同地质条件和不同结构型式，可利用研发的接头刚度计算和校核软件进行基于接头刚度迭代的结构计算以及接头校核，利用接头计算值与接头承载特征曲线的关系，作为结构选型的参考。

5)利用接头承载特征曲线对深圳装配式地铁车站坦拱结构的各个接头承载能力进行了验算，均满足要求，且有较大的安全余量。