盾构法扩建地铁车站Y形装配式节点抗震性能研究

摘"要： 为了提高结合盾构法扩建地铁车站结构的抗震性能，提出一种Y形装配式连接节点，用于连接装配式盾构管片和现浇车站主体结构，为研究Y形装配式节点的抗震性能，文中建立了两种连接类型的Y形装配式节点1∶1比例试验模型，并进行了拟静力加载试验，对不同类型节点的荷载-位移滞回特性、延性和位移特征、刚度退化特性以及斜拉筋应变模式等进行了对比研究.结果表明：① 由于两类节点构造上的不同，B类节点后期加载中由于盾构管片与钢板脱离使得管片位移变形较大，滞回环捏拢效应较为明显，节点卸载后的残余变形更为显著；② 由于接缝为斜截面，节点滞回曲线及骨架曲线表现出明显的非对称特性.从整个加载过程来看，B类节点承载能力更高，工作性能更为稳定，节点延性更好；③ 两类节点耗能机理不同，B类节点钢板刚度大，墙柱内钢筋变形较小，只有管片一侧钢筋和混凝土损伤变形耗能，而A类节点由于采用接驳器连接，接缝两侧钢筋可同时发生变形，其耗能能力略高于B类节点，但由于节点破坏主要受控于管片混凝土材料的强度，因此，两类节点最终耗能能力相差不大.

关键词： 盾构扩建车站；Y形装配式节点；低周反复加载试验；抗震性能；滞回耗能

中图分类号：TU93;TU94"""文献标志码：A"""""文章编号：1673-4807（2024）04-072-07

Experiment on seismic of Y-shaped assembled joints in subwaystation build by enlarging the shield tunnels

SHU Shuangwu1， WU Hao1， XU Yucheng1， ZHOU Aizhao 2， LIU Yi2*

（1.Zhenjiang Planning Survey and Design Group Co. Ltd.，Zhenjiang 212004，China）

（2.School of Civil Engineering and Architecture，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212100，China）

Abstract：A Y-shaped assembled joint between shield segments and the main station structures was suggested in order to enhance the seismic performance of a subway station constructed by extending two parallel shield tunnels. A 1∶1 full-scale model of two joints was used in experiments on low-frequency cyclic loading. The seismic behaviors， such as load-deformation curves， skeleton curves， structural ductility， strength degradation， and strain of the diagonal bars， were studied. The results showed that ① the shield segment separated from the steel plate， and the displacement of the B joint was greater than the A joint due to the differing constructions of the two types of joints. The residual deformation of the B joint and the pinch effect of the hysteresis loop were more noticeable; ② as a result of the joint's inclined section， the hysteretic curve and skeleton curve both clearly displayed asymmetries. B joint had greater bearing capacity， more consistent operating performance， better ductility， and less stiffness deterioration during the entire loading operation; and ③ two different types of joints had different energy dissipation mechanisms. The steel plate of the B joint had more stiffness than the A joint. The reinforcement deformation of the B joint in the wall column was small， and the damage and deformation of the segment's reinforcement and concrete caused most of the energy dissipation. However， because A joint was connected by the connectors， the reinforcement on both sides deformed simultaneously， and the energy dissipation of A joint was rather higher than the B joint's. The failure of both of the joints was mainly because of the crushed segment concrete， and the energy-dissipating capacity of the two types of joints was approximately the same.

Key words：enlarging station on shield， Y-shaped assembled joint， low frequency cyclic loading， seismic performance， hysteretic energy

在盾构隧道基础上扩建地铁车站可有效减少盾构法施工中的非推进作业，提高盾构施工效率［1］，但由于这种施工方法是一种相对较新的施工工艺，其所形成的车站结构的稳定性仍存在较大的不确定性，尤其是处于开口环盾构管片与车站主体结构之间的连接节点，同时受到车站和管片构造形式及周围岩体的制约，是整个车站结构受力的薄弱环节.

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.文献［2］分别对嵌固有球墨铸铁钢板构件及没有球墨铸铁构件连接的盾构管片的力学性能进行了研究，发现与前者相比，后者表现出更好的结构完整性，但承载能力较低，抗震性能较差；文献［3］针对采用PBA暗挖施工工艺扩展盾构隧道形成的地铁车站结构的关键节点，采用三维非连续接触模型模拟了施工过程中节点的变形和内力；文献［4］研究了广东地铁东山口站扩挖地铁车站结构关键节点的受力变形特征；文献［5］讨论了北京地铁高家园站扩挖地铁车站结构关键节点的力学变形性能；文献［6］以北京地铁13号线将台为背景，对塔柱式结构关键节点的受力和变形进行了分析；文献［7］对盾构法结合浅埋暗挖法修建地铁车站结构时的管片与结构的连接节点的力学性能进行重点关注；文献［8］课题组以北京地铁十四号线为实际工程背景，研究了大直径盾构隧道扩挖地铁车站的力学转换体系及关键节点的变形特征；文献［9］针对顶管法结合超大直径盾构隧道暗挖地铁车站的工法，对隧道开口处的衬砌管片、管片接缝和内支撑体系协同受力特征进行了分析，并据此提出了结构优化方法；文献［10］开展了近远场地震动作用下盾构扩挖地铁车站结构的振动台试验，对车站结构在地震荷载作用下的节点结构的动力响应特征进行了研究.文献［11］通过对预制地铁车站的大型振动台试验，对车站预制节点的动力性能进行了研究.

除此之外，另有一些专家对在并行盾构隧道基础上扩挖地铁车站时关键节点的受力性能进行了研究，文献［12-13］以SCB开挖工法为基础，对在并行盾构隧道基础上扩挖地铁车站的关键节点的力学性能进行了探讨；文献［14］通过深圳地铁14号线肿瘤医院站“先隧后站”的工程实践，对过站段区间小盾构玻璃纤维筋管片及相关结构的施工及力学特性进行了分析.文献［15-16］对在并行盾构隧道基础上扩挖地铁车站时的节点的受力、变形以及施工设计方法等进行了全面的深入的探讨；文献［17］研究了在小直径盾构隧道基础上扩挖两连拱地铁车站的施工工艺，研究了车站扩挖过程中的结构力学变形性能.

综上可知，虽然在已建成的盾构隧道基础上扩建地铁车站可有效提高盾构设备的利用效率，且有显著的工期优势和经济效益，但由于此类工法施工难度较大，关键结构及节点的力学性能及稳定性尚需验证，且目前对此类车站结构的研究尚多处于静力加载阶段，对其结构在动力加载条件下的力学变形性能的研究还不多见，尤其对于处于车站主体结构与盾构管片之间连接节点的动力性能的研究更为少见.

基于此，为了提高结合盾构法扩建地铁车站结构的抗震性能，文中提出一种Y形装配式连接节点，用于连接装配式盾构管片和现浇车站主体结构，并建立了两种连接类型Y形装配式节点的1∶1比例试验模型，进行了拟静力加载试验，对节点的荷载-位移滞回特性、延性和位移特征、刚度退化特性以及斜拉筋应变模式等进行了对比研究.文中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"试验

1.1"模型试件设计

在结合盾构法扩建的地铁车站结构中，连接现浇车站主体与装配式开口环盾构管片的节点结构近似于Y形，是一个非常规的异形节点.

为了深入研究节点构筑形式对其力学性能的影响，试验分别设计了两类1∶1足尺节点模型，其中一类在盾构管片端面预埋接驳器，称为A类节点；另外一类在盾构管片端面预埋钢板构件，称为B类节点.所预埋的接驳器及钢板构件用于与车站墙柱内钢筋的连接.

节点结构以盾构管片、墙柱及底座构成，如图1.节点现场浇筑，其中，管片采用C50混凝土，其内径5.40 m，外径6 m，管片截面0.30 m×0.48 m，厚0.30 m；墙柱采用C40混凝土，墙柱高1.67 m，顶部截面0.68 m×0.48 m，底部截面0.97 m×0.48 m；底座采用C50混凝土，长1.95 m，宽0.96 m，高0.50 m.试件通过地锚螺栓固定，如图1.

1.2"节点构筑模式

（1） A类节点：盾构管片端头预埋钢筋接驳器，接驳器分别与管片内主筋及墙柱锚筋相连，如图2.

试验中，在盾构管片端面布置上下两排钢筋接驳器，每排布置4个.除此之外，为防止管片在外力作用下绕管片底部边缘转动，在盾构管片与墙柱之间设置斜拉筋以增强节点的抗弯性能，如图2～3.

（2） B类节点：盾构管片端面接缝处预埋钢板及抗剪键.待多余管片拆除后，在钢板外侧分上下两排焊接锚固钢筋，如图4～5.

按下式确定抗剪键尺寸：

V=1.32fcBH（1）

式中：V为剪力；fc为混凝土抗压强度；B和H分别为抗剪键长度及高度.

1.3"加载制度

试验中，以多功能电液伺服作动器（200 t）对盾构管片施加拟静力低周循环荷载，并通过数据采集系统同步采集数据，如图6、7.

试验采用混合加载模式进行加载，每级荷载循环加载3次，即±10 mm以内，以±1 mm递增；超过±10 mm之后，以±2 mm递增，即±12 mm，±14 mm，±16 mm等，加载结束标志以当循环峰值降至极限荷载的85%时认为试件破坏，试验结束.试验加载制度如图8.

2"试验现象与破坏特征

2.1"A类节点

位移加载到42 kN时，作动器工作平台根部位置出现首条开裂裂缝，并沿管片横向截面不断延伸.随着循环加载次数的增多，接缝处管片逐渐与墙体相脱离.当加载值增至155 kN时，管片与墙柱间出现分离裂缝.随着加载值的不断递增，分离裂缝沿接缝面向下快速延伸，当Δ=24 mm时，分离裂缝贯穿整个斜截面，并在节点受力核心区域出现明显的X交叉斜裂缝.

当Δ=28 mm时，由于管片上下循环幅度较大，斜拉筋拉应力增大，墙柱与斜拉筋接触位置出现沿斜拉筋受拉方向的撕裂裂缝，斜拉筋出现塑性屈服现象，并与周围裹挟混凝土之间出现相对滑移，同时，管片底部混凝土被压碎剥落，盾构管片沿斜截面方向向下滑移，循环荷载峰值降至极限荷载的85%左右，加载结束.

2.2"B类节点

位移加载到52 kN时，作动器工作平台根部出现首条开裂裂缝，首条裂缝出现的荷载加载值比A类节点提高23.8%左右，这主要是由于内置钢板刚度大，节点整体刚度提高.随后，裂缝沿管片横向延伸，并逐渐扩展至管片侧表面.且由于钢板刚度较大，钢板与混凝土之间变形难以协调，当位移荷载加载至152 kN时，盾构管片与钢板之间在接缝顶、底部出现分离裂缝并逐渐向整个斜截面扩展.当Δ=20 mm时，沿接缝与管片钢筋保护层相交位置出现与接缝呈45°夹角的斜向下裂缝.裂缝随加载值增大不断开展，且裂缝宽度不断增大，这主要是由于焊接于钢板上的刚性抗剪键约束了管片下部混凝土的变形，因而间接提高了下部混凝土刚度所导致的.当Δ=30 mm时，盾构管片底部混凝土被压碎，管片整体向外脱出，循环荷载峰值降至极限荷载的85%左右，加载结束，节点破坏形态如图9～11.

3"试验结果及分析

3.1"荷载-位移滞回特性分析

A、B类节点的荷载-位移滞回曲线如图12，如图可知：

由于接缝为斜截面，节点滞回曲线表现出明显的非对称特性，正向（下压）受力明显高于反向（上拉）受力.随着荷载循环次数的增多，滞回环斜率不断减小，滞回曲线呈反S形，说明试件刚度不断降低.从整体上来看，B类节点由于钢板刚度大，管片一侧钢筋出现粘结滑移，滞回环呈现出明显的捏拢效应，而从滞回环的变化形式来看，B类节点卸载后的残余变形更为明显.而滞回曲线每次循环加载后都会回到原点附近，说明节点试件的残余变形较小.

如图所示，A类节点的滞回曲线更加饱满，其在正向（下压）阶段滞回环面积略大于B类节点，而B类节点在反向（上拉）阶段出现钢筋的粘结滑移，滞回曲线的整体反S现象更为明显，因此，A类节点的整体耗能性能略强于B类节点.

由图可知，两类节点耗能机理略有不同，A类节点主体耗能构件为接缝两侧钢筋及周围混凝土，B类节点主体耗能构件为处于管片一侧的钢筋及周围混凝土，这主要是由于钢板刚度较大，使得B类节点变形主要集中于管片一侧，而A类节点钢筋采用接驳器连接，从而不存在此类问题.另外，在加载后期，由于底部混凝土被压碎，A类节点接缝两侧的管片与混凝土出现较相对滑移，其承载能力降低较快，而B类节点由于在刚板上焊接了抗剪键，在抗剪键的约束作用下，B类节点后期加载中管片与墙柱的相对滑移现象不明显，但却出现管片向外脱出现象，使得管片内钢筋出现较大的粘结滑移.因此，在滞回曲线的变化趋势来看，两类节点都出现反S现象，但由于两类节点结构构造上的不同，使得二者最终的耗能效果出现差异，如图13.

3.2"骨架曲线

两类节点骨架曲线如图14，由图可知：两类节点骨架曲线均呈反S形，说明在反复加载中，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.加载初期，骨架曲线接近于直线，试件处于线弹性变形阶段，荷载继续增大，加载至屈服位移后，两类节点均发生不同程度的塑性变形.在随后的加载中，试件的刚度逐渐降低，骨架曲线增长逐步变缓，但荷载仍能继续提高.达到峰值强度后，随着位移荷载的继续增大，节点底部混凝土逐步压碎剥落，节点整体承载能力下降，骨架曲线出现下降，节点进入极限破坏阶段，最终试件发生破坏.其中，B类节点初始刚度为36.29 kN/mm，比A类节点（30.59 kN/mm）提高约18.63%，说明预埋钢板可有效提高节点刚度，增强节点的整体抗弯性能.

此外，节点试件在双向受力中呈现出明显的非对称特性，这与节点的滞回特性的非对称性是相对应的.试件屈服至破坏过程中，B类节点骨架曲线过渡更加平滑，说明B类节点工作性能更为稳定.同时，B类节点正负向极限承载力平均值为280.885 kN，比A类节点（263.78 kN）高6.48%，说明B类节点极限承载能力略高.

3.3"节点延性和位移特征值

位移延性系数可在一定程度上反硬构件变形能力.位移延性系数采用公式μμ=Δμ/Δy来表示，其中：Δμ为循环峰值荷载下降到85%极限荷载时对应的位移，Δy为构件屈服位移，μμ为位移延性系数.

屈服位移可通过等能量法近似确定［18-19］，如图15.

根据等能量法原理，对试件加载过程中的屈服位移Δy、极限位移Δμ、破坏位移Δd、屈服荷载Py、极限荷载Pu、破坏荷载Pd以及位移延性系数μμ列表总结，如表1.

由表1可知，B类节点正向（下压）加载延性系数为3.33，比A类节点（2.31）提高44.16%；B类节点反向（上拉）加载延性系数为2.31，比A类节点（2.31）提高15.57%，这主要是由于B类节点预埋钢板刚度大，墙柱内焊接于钢板上的钢筋形成整体，刚度提高，因而节点受力主要由管片承担，接缝两侧的非对称力学效应增强了节点的延性.

3.4"斜拉筋应变

图16为斜拉筋荷载-应变曲线图，由图可知：

斜拉筋应变基本呈线弹性变形，残余应变小，由于B类节点后期加载中管片向外脱出，位移变形较大，使其斜拉筋变形较A类节点斜拉筋变形稍大，滞回环略宽，说明相比较于B类节点，A类节点耗能性能略高，但刚度较小.这主要是由于两类节点构造上的差异所导致，B类节点钢板刚度大，墙柱侧钢筋应变较小，只有管片一侧钢筋和混凝土损伤变形耗能，而A类节点由于采用接驳器连接，接缝两侧钢筋可同时发生变形，其耗能能力略高于B类节点，但节点破坏主要是由于管片混凝土被压碎而丧失承载能力，破坏时钢筋并没有达到极限状态，因此两类节点耗能能力相差不大.

4"结论

通过对结合盾构法扩建地铁车站的Y形装配式节点进行低周反复加载试验，对节点的荷载-位移滞回特性、骨架曲线、延性和位移特征值、刚度退化特性以及斜拉筋应变等进行了对比研究，得出以下几点结论：

（1） B类节点后期加载中由于盾构管片与钢板脱离使得管片位移变形较大，滞回环捏拢效应较为明显，节点卸载后的残余变形更为明显，但两类节点滞回曲线每次循环加载后都会回到原点附近，说明节点试件的残余变形较小.

（2） 由于接缝为斜截面，节点滞回曲线及骨架曲线表现出明显的非对称特性.从骨架曲线的变形特征来看， B类节点初始刚度比A类节点提高约18.63%，而B类节点正负向极限承载力平均值相对于A类节点提高约6.48%，即B类节点极限承载能力更高，工作性能更为稳定.

（3） B类节点正向（下压）加载延性系数相对于A类节点提高约44.16%，而B类节点反向（上拉）加载延性系数比A类节点提高15.57%，即B类节点延性性能更好.

（4） 两类节点耗能机理不同，B类节点钢板刚度大，墙柱侧钢筋应变较小，只有管片一侧钢筋和混凝土损伤变形耗能，而A类节点由于采用接驳器连接，接缝两侧钢筋可同时发生变形，其耗能能力略高于B类节点，但由于节点破坏主要是由于管片混凝土被压碎而丧失承载能力，因此，两类节点最终耗能能力相差不大，钢板节点耗能能力略低于接驳器节点.

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（责任编辑：顾琳）