轨道交通地下车站装配式二次结构抗震性能研究

邹振兴

（福州地铁集团有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

随着交通基础设施建设产业的升级，预制装配技术将成为主要的发展方向[1-2]，并在铁道建设工程中得到广泛应用。然而，相较于地上建筑结构装配式施工，地下工程结构预制装配技术理论与设计方法都不够完善。

采用预制构件可以提高地铁工程施工的工业化程度，尤其是能明显改善地铁工程的施工环境[3-5]。虽然国内已开展了地铁车站装配式结构相关的研究和实践，但对车站内二次结构的预制装配构件研究还处于起步阶段，如地铁风道预制技术，国内外地铁均无中板与下挂梁全预制的风道先例可循。另外，地铁车站楼梯、站台方面的实践亦较为少见。

本文将结合有限元软件，对车站二次结构采用预制装配式构件进行研究，分析地震荷载作用下预制装配式结构抗震性能的薄弱点，找到预制二次构件的易损部位，为地下车站装配式二次结构设计和施工提供参考[6-8]。

1 地铁车站装配式二次结构工程概况

某轨道交通车站为地下2 层岛式（局部3 层），车站主体净长593.2m，标准段宽度为20.1m，车站设4 个出入口、3 个风亭和6 个物业出入口，采用明挖顺做法施工，见图1。

图1 轨道交通某车站平面布置图

该站轨顶风道、站台板、楼梯等二次构件均采用预制拼装技术进行施工。预制构件包括3部分：预制轨顶风道、预制站台板、预制楼梯。预制构件混凝土强度等级为C40，混凝土方量为379m³，其中预制轨顶风道 87.1m³+57.7m³ （RPC），预制站台板 142.6m³+74m³（RPC），预制楼梯12.6m³+5m³（RPC）。

2 构件预制方案

2.1 预制轨顶风道方案

轨道风道预制范围为54.4m，采用标准风道，宽度为1m，材料选择C40 混凝土、RPC 混凝土，主体预埋ϕ50 无缝钢管，采用“吊杆+双螺母”连接方式，吊点为6个标准块，见图2。

图2 预制轨顶风道方案（单位：cm）

2.2 预制站台板和楼梯方案

站台板预制范围为40.8m，采用标准站台（含1 个扶梯坑），标准宽度为1.77/1.855m，地板顶预留限位槽，支座采用限位槽、块间采用2/3 个螺栓连接；楼梯位于12～14 轴，尺寸为0.3m×2.1m，预制块之间采用通胀螺栓连接固定，见图3。

图3 预制站台板和楼梯方案（单位：cm）

3 装配式构件模型解析

装配式轨顶风道采用预制钢筋混凝土构件进行拼装，悬挂于车站中板和结构侧墙交接位置；轨顶风道包含112 件拼装构件。楼梯包含4 件拼装构件；站台板采用门式预制钢筋混凝土构件进行拼装，包含96 件拼装构件。构件的数值模型见图4。另外，预制二次结构（轨顶风道、楼梯、站台板）构件混凝土等级为C40，保护层厚度为30mm，配筋如表1所示，材料参数如表2所示。构件采用实体单元模拟，钢筋采用可与实体网格自动耦合的钢筋单元，考虑垫块、螺母、混凝土之间的接触，钢材间界面摩擦因子取0.45，混凝土与钢材界面摩擦因子取0.60，且钢材与混凝土体界面考虑黏结滑移特性。为分析运营期轨顶风道、楼梯、站台板的力学性能，施加1.2kN/m²的风压荷载、2kN/m²的内部检修荷载于装配式轨顶风道、站台板，施加4kN/m²的人群荷载于楼梯。

表1 预制部件配筋表

表2 材料参数表

图4 研究构件数值模型

4 抗震性能分析

4.1 时程分析法

对某轨道交通车站中的预制二次结构（轨顶风道、楼梯、站台）进行抗震性能分析，对构件模型施加地震加速度，采用时程分析法分析。地震波波形如图5所示。

图5 地震波波形图

4.2 地震作用下预制轨顶风道变形情况

图6、图7分别为地震作用下装配式轨顶风道水平、竖向变形图。图8 为轨顶风道应力分布图。从图6 可见，最大水平变形（0.02mm）位于风道高墙底部位置，变形由高墙底部向上侧逐渐递减呈带状分布。图7为地震作用下装配式轨顶风道竖向变形图。由图7可见，最大竖向变形（-0.008mm）位于风道底部位置，变形程度由底板向两侧高低墙逐渐递减。预制风道在地震作用下变形较小，且变形分布均匀。由图8可见，轨顶风道受拉应力作用，应力呈对称分布且自中间向两侧递减，最大拉应力为1.45MPa，小于所采用混凝土的抗拉强度。另外，钢管灌浆连接处和拼接接触面应力较大、出现应力集中现象，最大拉应力位于钢管灌浆连接边缘位置。因此，地震对装配式轨顶风道力学性能影响较小，可以满足使用安全要求。

图6 水平变形

图7 竖向变形

图8 轨顶风道应力分布图

4.3 地震作用下预制楼梯变形情况

图9、图10 分别为地震作用下装配式楼梯水平变形、竖向变形图。由图9可见，预制楼梯最大水平变形（-0.112mm）出现在楼梯板跨中位置，变形程度由梯段跨中向两侧逐渐递减。由图10 可见，最大竖向变形（0.2mm）出现在楼梯板跨中位置，变形程度由梯段跨中向两侧逐渐递减。预制楼梯在地震作用下变形较小，且变形分布较为均匀。另外，楼梯跨中和连接处应力较大，出现应力集中，最大拉应力位于上跨跨中，但远小于所采用混凝土的抗拉强度。钢筋螺栓最大应力位于螺栓中部，远小于螺栓抗拉强度。灌浆料所受拉应力较小，底部拉应力最大，但仍低于C40 级灌浆料抗拉强度。因此，地震对装配式楼梯力学性能的影响较小，可以满足使用安全要求。

图9 水平变形

图10 竖向变形

4.4 地震作用下预制站台变形图

图11、图12 分别为地震作用下装配式站台的水平变形、竖向变化图。由图11 可见，预制站台板最大水平变形（1.30×10-6mm）位于门式构件承托位置，变形程度由预制站台顶部向底部逐渐递减。由图12 可见，最大竖向变形（6×10-6mm）位于站台板跨中位置，变形由站台板跨中向两侧逐渐递减呈带状分布。预制站台在地震作用下变形较小，且变形分布均匀。另外，站台板跨中和连接处应力较大，出现应力集中，最大拉应力位于连接处，但远小于所采用混凝土的抗拉强度和螺栓抗拉强度。因此，地震对装配式站台板力学性能影响较小，可以满足使用安全要求。

图11 水平变形

图12 竖向变形

5 结论

（1）地震荷载作用下，地铁车站中预制二次构件应力集中现象多出现于螺栓洞口、拼接接触面位置，预制轨顶风道、预制楼梯、预制站台的应力最大值均小于C40混凝土的屈服强度。

（2）预制结构连接中所使用的螺栓、灌浆料应力值均远小于其屈服强度，预制构件连接节点在地震作用下不会因地震荷载作用而破坏。

（3）根据本节所建模型计算结果可知，在地震荷载作用下预制二次构件不会先于地铁车站主体破坏。