基于盾构扩建地铁车站结构的Y型装配式节点抗震性能分析

许煜成 华俊杰 周爱兆 刘 义

（1.镇江市规划勘测设计集团有限公司，江苏 镇江 212004；2.江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏 镇江 212100）

0 引言

盾构法施工中，由于盾构过站时所进行的隧道施工与车站结构施工存在矛盾，会降低盾构设备的使用效率，并缩短其使用寿命，对施工工期和经济效益产生不利影响。基于此，一种新型的盾构扩建地铁车站的施工工法——SCB 法［1］被提出。采用这类工法所建造的地铁车站结构其隧道管片与车站结构的连接节点近似呈Y 型，是一种装配式节点。由于此类节点处于盾构管片、墙柱和基坑开挖围护桩相交接的位置，节点整体受力水平较大，是整个车站结构的薄弱位置。

目前，针对此类节点的研究多集中于对其静力加载条件下节点力学变形及极限承载能力方面的研究，而对此类节点动力性能的研究还不多见。如禹海涛等［2］对1∶10 的沉管隧道管节接头进行了力学性能试验，得到了管节接头在不同轴向压力下的弯矩—转角曲线、压缩量曲线和剪力—剪切位移曲线；金跃郎等［3］对大断面矩形盾构隧道管片接头的极限抗弯承载力进行了试验，对管片接头结构的力学性能及其极限承载能力和极限破坏状态进行了研究；封坤等［4］以广深港高速铁路狮子洋隧道工程为例，对高轴压作用下复杂接缝面管片接头的破坏特征及抗弯性能进行了足尺试验研究。以上研究对节点在静力加载条件下的力学变形性能进行了深入研究，但对节点在动力条件下的抗震性能则关注较少。

基于此，为了提高SCB 法施中Y 型装配式节点的抗震性能，本研究以混凝土弹塑性损伤本构模型理论为基础，建立Y 型装配式节点的三维非连续接触模型，精确模拟Y 型装配式节点在拟静力外力作用下的抗震性能，对节点的破坏模式、荷载—位移滞回特性、刚度退化特性等进行了对比分析。本研究可为今后类似节点的设计及施工提供有益的借鉴和参考。

1 混凝土弹塑性损伤本构模型

拉压异性（强度和刚度在拉力或压力作用下不同）是混凝土的典型性质之一，因此，管片及墙柱材料以混凝土弹塑性损伤本构模型进行模拟。当混凝土材料处于弹性形变阶段时，以弹性本构模型对其力学行为进行描述，在进入塑性损伤阶段后，其相应的应力—应变关系可表示为式（1）［5-6］。

式中：σ为应力张量；d为损伤因子；E0为弹性模量；ε为总应变张量；εp为塑性应变张量。

混凝土材料的塑性损伤本构模型采用非关联塑性流动法则，流动势函数采用D-P 函数。混凝土损伤阶段单轴受压本构模型采用式（2）［7］。

式中：fc为混凝土单轴抗压强度设计值；ε0为屈服应变；εu为极限应变。

混凝土塑性损伤阶段单轴抗拉本构模型采用《混凝土结构设计规范（2015 年版）》（GB 50010—2010）［8］附录中的推荐计算公式，即式（3）。

式中：ε*为损伤应变阈值；ε～in为混凝土拉压受力时的非弹性应变。

2 Y型装配式节点三维非连续接触计算模型

由于节点用于连接预制盾构管片与现浇车站墙柱结构，在节点构筑前，需在盾构管片端头内部预埋钢筋套筒，在多余管片拆除后，以钢筋套筒连接盾构管片和墙柱结构内部钢筋，最后浇筑墙柱结构，如图1所示。

图1 节点构造

其中，盾构管片采用C50混凝土，内径为5.40 m，外径为6 m，其端面尺寸为0.30 m×0.48 m，管片总长1.66 m；墙柱采用C40混凝土浇筑，高1.67 m，顶部截面为0.68 m×0.48 m，其上下由部分侧墙及下部墙柱组成；试验底座采用C50 混凝土，长1.95 m、宽0.96 m、高0.50 m。本研究将上部土体荷载等效为作用于管片顶点的竖向作用力，采用ABAQUS 有限元软件建立了Y 型装配式节点的三维非连续接触模型，以模拟Y 型装配式节点在拟静力外力作用下的抗震性能，如图2所示。

图2 节点三维非连续接触模型

3 计算参数

C40 混凝土杨氏模量E=32.5 GPa，泊松比γ=0.2，C50 混凝土杨氏模量E=34.5 GPa，泊松比γ=0.2。混凝土剪胀角ψ=15°，流动式偏移量κ=0.1；双轴与单轴受压强度比σb0/σc0=1.16，不变量应力比Kc=0.666 7；黏滞系数μ=0。钢筋采用HRB335 钢筋，杨氏模量E=200 GPa，泊松比γ=0.2。

4 试件加载制度设计

试验采用位移混合加载的方式进行加载，每级加载进行3次循环，采用混合加载方式，即±10 mm以内，以±1 mm递增；超过±10 mm之后，以±2 mm递增，当荷载—位移曲线出现下降，且荷载降至极限承载力的85%时认为试件破坏，试验结束，加载制度如图3所示。

图3 加载制度

5 计算结果分析

5.1 节点破坏现象与破坏特征

节点应力云图如图4所示。由图4可知，管片最大受力位置集中于盾构管片与墙柱连接接触位置，其最大应力值为16.8 MPa，而在管片与墙柱接触位置底部最大应力值超出了混凝土最大抗压强度应力值，出现塑性流动现象，说明节点破坏的主要原因为节点接触位置管片底部混凝土被压碎。而在管片与墙柱接触位置的中上部也出现塑性破坏现象，其主要原因为接触面中上部受到拉应力作用，其最大拉应力超出混凝土的最大抗拉强度值。当位移值Δ=28 mm 时，循环荷载峰值降至极限荷载的85%左右，加载结束。

5.2 滞回特征分析

节点滞回曲线如图5所示。由图5可知，节点滞回曲线呈现非对称性，其主要原因在于管片与墙柱接触面为斜截面。而滞回曲线呈反S 形，其斜率不断减小，说明试件刚度不断降低。滞回环呈现较为明显的捏拢效应，说明节点内部钢筋出现相对滑移现象。

图5 节点滞回曲线

5.3 骨架曲线

节点骨架曲线如图6所示。由图6可知，节点骨架曲线呈反S 形，说明在拟静力加载过程中，节点大致经历了线弹性变形、塑性屈服和极限破坏三个阶段。如图6 所示，节点初始刚度约为28.36 kN/mm，其刚度值满足节点的设计要求。此外，与滞回曲线相对应，节点在低周循环加载中呈现明显的非对称特性。试件屈服至破坏过程中，节点骨架曲线过渡平滑，说明节点工作性能较为稳定。

图6 节点骨架曲线

6 结论

本研究以盾构扩建地铁车站结构的Y 型装配式节点为研究对象，基于混凝土弹塑性损伤本构理论，建立了Y型装配式节点的三维非连续接触模型。通过对Y型装配式节点在拟静力外力作用下的破坏机理、荷载—位移滞回特性、刚度退化特性等进行了对比研究，得出以下结论。

①节点破坏的主要原因为接触位置管片底部混凝土被压碎破坏，使得节点丧失承载能力，由于管片与墙柱接触面中上部受到拉应力作用，在管片与墙柱接触位置的中上部出现塑性流动现象。

②由于管片与墙柱接触面为斜截面，节点滞回曲线呈现出非对称性，滞回环呈现较为明显的捏拢效应。

③节点在破坏过程中大致经历了线弹性变形、塑性屈服和极限破坏三个阶段，其骨架曲线呈反S形，且呈现明显的非对称特性。