内支撑体系下的装配式地铁车站轻量化设计

李良生 吴居洋

传统现浇法施工地铁车站需现场绑扎钢筋和浇筑混凝土，施工期间劳动力需求大、现场作业条件差、施工质量难以保证、对周边环境影响大。为克服现浇法施工车站的弊端，提高地铁车站施工的工业化水平，助力建筑行业实现“碳达峰”和“碳中和”目标，深圳地铁3号线四期坪西站在国内首次采用干式刚性连接的全预制装配式车站。为进一步提高装配式车站施工的便利性，节省混凝土用量，减轻预制构件重量，降低车站生产过程中的碳排放量，对预制构件进行了轻量化设计。

一、工程概况

坪西站总长度为222m，其中预制装配段总长162m，为拱形无柱结构。装配式结构断面每环分为9块预制构件，单环纵向宽度为2m，环内预制构件采用C-H-C型钢接头连接，环间纵向采用新型的球头柔性连接锁连接，如图1所示。

图1 装配式车站结构断面示意图

二、初始结构计算

1. 结构有限元模型

建立主体结构有限元几何实体模型。对于接头部位，建立C-H-C连接件有限元实体模型，采用H型钢与C型钢节点耦合来实现C-H-C接头力的传递。混凝土和C-H-C均采用SOLID95单元。不同构件块之间接触面采用CONTAC174接触单元连接。为模拟地基对结构的作用，采用SURF154单元，单元刚度为77 MPa/m。混凝土材料为C50；C-H-C接头钢材的杨氏模量为210 GPa，泊松比为0.3。

2. 初始结构计算结果

计算考虑车站顶部覆土4m，地面超载20kPa，中间层荷载20kPa。土侧压力系数0.5。考虑高水位和低水位两种荷载工况。

在高水位荷载作用下：结构下部侧墙沿X方向向外张开，最大位移位于BC块构件连接处，约为6.3mm；沿Y方向，最大变形发生在底部构件的跨中部位，约为25mm；顶部构件变形约10 mm。

在低水位荷载作用下：结构侧墙整体沿X方向向两侧张开（侧移），最大位移达5 mm；同时，沿Y方向，顶部构件跨中最大变形为16 mm；底部结构变形接近0。

对比两种荷载工况可知，在高水位工况下，由于两侧水土压力荷载大，限制了结构顶部的侧向变形，从而限制了结构顶部的竖向位移；但在高水位工况下，底部结构受水压力作用会产生向上的变形。

三、轻量化设计影响分析

1. 不同壁厚研究

为便于构件运输安装，提高装配效率，需对构件进行轻量化设计，在构件受力较小的位置设置空腔。空腔大小和空腔间壁厚密切相关，如图2所示，降低壁厚会降低结构构件的轴向刚度和抗弯刚度，对结构产生不利的影响，但同时会降低结构的自重，降低由自重引起的内力。

图2 空腔壁厚平面示意图

通过建立实体有限元模型，研究不同壁厚情况下装配车站整体结构在不同荷载工况下的工作性能，空腔间壁厚布置方案如表1所示。

表1 空腔优化工况表

根据空腔优化工况，确定轻量化设计影响的研究内容和目标如下：

（1）研究壁厚降低对结构整体变形的影响，分析纵向壁厚和面内变形特征和变形规律；

（2）研究车站标准断面在不同面内空腔壁厚和纵向空腔壁厚下的应力整体分布特征，分析对结构关键构件和关键截面应力分布影响规律；

（3）根据在高水位和低水位荷载作用下各结构整体位移和各构件应力分布特征、应力幅值变化，给出装配式结构各个构件的壁厚优化建议。

2. 壁厚变化对结构位移的影响

以顶部跨中位移为例，图3给出了面内壁厚分别为初始壁厚1.0、0.9、0.8时结构沿X方向的收敛和沿Y方向的位移。由图3可知，降低面内空腔壁厚会导致结构沿X方向和Y方向的位移变大。降低面内空腔壁厚使X方向的变形在高水位荷载作用下增大1.4 mm（21%）；荷载作用时可使Y方向上（高水位，底部）的变形增大2.5 mm（9%）；低水位时，壁厚降低至0.8，变形增大1.1 mm（9.7%）；可见，降低面内空腔壁厚会导致结构变形增大。

图3 面内壁厚对装配式结构整体变形的影响（顶部跨中位移）

以顶部跨中位移为例，图4给出了改变纵向空腔壁厚时结构的形变变化。在低水位情况下，当纵向腔壁厚度由300 mm降低至200 mm时，结构X方向上的位移增大约为0.8 mm （26%），结构顶部跨中Y方向的变形增大2 mm（12%）。高水位情况下，降低壁厚导致结构X方向增大2.0 mm（28%），跨中底部Y方向位移增大3.5 mm（12%）。可见，增加纵向腔壁厚度可降低结构在X方向和Y方向上的变形。

图4 纵向壁厚对装配式结构整体变形的影响（顶部跨中位移）

3. 壁厚变化对构件受力的影响

以形状较复杂的C块构件为例，研究构件壁厚改变对构件应力变化的影响。其余构件的研究思路及研究结论与C块类似。

图5分别给出了面内壁厚改变时C块构件在低水位荷载作用下沿X方向上的应力分布。由图5可知，C块构件中X方向最大压应力约为10 MPa，最大拉应力约为6 MPa。在C块构件与D块构件连接处出现应力集中，主要是由于其接近直角的几何形状所致；此外，在C-H-C接口处应力集中现象也比较明显。壁厚降低，最大应力幅值基本不变。在高水位工况下，壁厚改变引起的构件应力分布变化规律类似。

图5 面内壁厚对构件C在X方向应力的影响（低水位，壁厚/初始壁厚=0.8）

图6给出了纵向壁厚改变时C块构件在低水位荷载作用下沿X方向上的应力分布。由图6可知，低水位荷载作用下，构件C在X方向上的最大拉应力约为6 MPa，Y方向压应力约为10 MPa （C-H-C附近）。低水位荷载作用下比高水位荷载作用下的压应力降低2 MPa。对比发现，壁厚变化时，最大应力幅值基本保持不变，分布影响较小。在高水位工况下，壁厚改变引起的构件应力分布变化规律类似。

图6 纵向壁厚对构件C在X方向应力的影响（低水位，纵向壁厚=250 mm）

四、应用情况

根据前述研究结果，确定装配式车站预制构件面内空腔壁厚为250mm，纵向空腔壁厚为300mm，空腔可采用发泡混凝土、内置木模、轻质泡沫等方式实现。同时根据构件应力分布情况，对应力集中部位进行局部加强构造钢筋布置。相关研究成果应用于深圳地铁3号线四期坪西站。通过设置空腔进行轻量化设计，坪西站每块预制构件重量降低15%～22%，最大预制构件F块重量仅为49.18t，提高了预制构件吊装、运输、拼装的灵活性和便利性。坪西站于2021年8月启动预制构件生产，2022年9月完成车站预制装配段拼装，经过轻量化设计的空腔构件工作性能良好。

五、结语

经分析得出以下结论：

（1）高水位荷载作用下，结构底部、顶部跨中和侧墙端部（结构四个角点附近）应力较大，结构底部构件跨中截面的上侧受拉，下侧受压；上部构件则相反；低水位荷载情况下，结构顶部变形较高水位情况大，两者之间的差值约在6 mm左右。与低水位荷载作用相比，高水位荷载作用下底部构件变形较大。

（2）降低面内空腔壁厚和纵向空腔壁厚不会改变结构关键截面位置，未发生新增局部孔壁应力集中现象。

（3）降低面内空腔壁厚会增大结构在X方向和Y方向上的变形，Y方向增大比例10%左右，X方向增大比例较大，在21%～28%。

（4）在本研究中，虽然空腔壁厚的降低未改变结构关键截面的位置，但是仍应配置充足的构造筋，限制构件中裂缝的出现，使构件受力均匀。同时，壁厚降低引起应力增加，需要增加配筋。

本文对装配式车站预制构件进行轻量化设计，在保证预制构件工作性能的同时，能有效节省混凝土材料用量，减轻预制构件重量，提高装配式车站施工的便利性。研究结果在深圳地铁3号线四期坪西站的成功应用，为后续同类工程的实施提供了有益参考。