地铁车站装配式蒸压加气混凝土墙板受弯性能

苏立勇, 罗 平, 路清泉, 张志伟, 周 轶

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068；2.城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室，北京 100068)

发展装配式建筑对提高施工效率和质量、减少建筑垃圾以及实现可持续发展战略等方面具有重要意义[1-2]，中外专家学者对装配式结构展开了系统全面的研究[3-6]。装配式技术运用于地铁车站建设能够缩短工期、提高施工效率以及减少对城市地面交通的影响[7]，但中国装配式车站的研究与应用尚处于起步阶段。杜修力等[8-9]针对装配式车站侧墙底节点及梁板柱中节点，展开了其抗震性能研究，结果表明：装配式节点抗震性能与现浇节点基本相当。李兆平等[10-11]采用试验与数值模拟方法研究了单榫槽式接头的力学性能，为预制装配式地铁车站接头设计提供了依据。丁鹏等[12]利用数值仿真方法研究了装配式地铁车站单环结构传力与变形机理，为设计和施工提供了支撑。目前中国已完成的首例地铁装配式车站为长春地铁二号线袁家店站，车站框架外墙主体由87环、609块预制构件拼装而成，横向由87环拼装而成，工程效果良好。但以上装配式地铁车站的研究及工程均为装配式主体结构，对于地铁车站二次结构的装配式研究，尚十分少见。

北京地铁19号线新发地站已完成主体结构施工，如图1所示，现阶段正在进行车站的站台板，隔墙，风道以及楼梯等二次结构装配式设计与研究。针对新发地站蒸压加气混凝土隔墙，基于已完成的试验研究[13]，进行有限元建模，分析了不同连接节点类型、混凝土强度、连接节点构造措施、高厚比以及配筋率等设计参数对装配式蒸压加气混凝土墙板受弯性能的影响，并提出优化设计建议，为工程设计提供支撑。

图1 北京地铁19号线新发地站

1 试验概况与有限元建模

基于已完成的装配式蒸压加气混凝土墙板受弯性能试验[13](图2)，采用ABAQUS有限元软件进行有限元分析。有限元分析模型如图3所示，蒸压加气混凝土墙板钢筋采用桁架单元，蒸压加气混凝土、钩头螺栓、角钢等均采用实体单元。

图2 试验加载

图3 有限元分析模型

1.1 材料性能及相关参数选取

蒸压加气混凝土本构关系采用文献[14-15]所提出的本构模型，即：

(1)

表1 材料力学性能

注：ALC为加气轻型混凝土。

1.2 相互作用定义

钩头螺栓及钢筋与蒸压加气混凝土之间采用内嵌连接方式，忽略其界面间相对滑移。角钢与蒸压加气混凝土间切向为摩擦系数为0.6的面接触，法向采用硬接触。

1.3 边界条件及荷载施加

为提高有限元分析结果的真实性，按试验实际情况进行荷载及边界条件施加。

1.4 有限元分析结果

对按上述步骤所建立的有限元模型计算结果进行分析。计算承载力与试验结果对比分析如表2所示，结果表明：计算值与试验值误差在10%以内。图4中有限元应力等高线表明：试件最终破坏模式为钩头螺栓处蒸压加气混凝土的局部受拉破坏而导致的螺栓拔出，且破坏面呈漏斗状，与试验破坏形式吻合较好。因此，上述有限元模型可用于蒸压加气混凝土墙板的受弯性能分析。

表2 理论值与试验值分析对比

2 参数分析

基于北京市地铁十九号线新发地站实际工程，以节点类型、混凝土强度、高厚比及配筋率为分析参数，采用三分点加载方案对高4 800 mm的蒸压加气混凝土墙板受弯性能进行了有限元参数分析。墙板配筋及节点构造措施均参考《蒸压加气混凝土砌块、板材构造》(13J104)[16]设计，材料力学性能参数均采用标准值。

图4 节点破坏面

2.1 节点类型及混凝土强度

2.1.1 模型设计

设计了8个模型以研究节点类型及混凝土强度对蒸压加气混凝土墙板受弯性能的影响。其中包括4个钩头螺栓节点墙板及4个U形卡节点墙板，U形卡、角钢及钩头螺栓钢材均为Q345，节点及板构造分别如图5、图6所示。混凝土选用了A2.5、A3.5、A5.0、A7.0等四种强度。模型设计参数如表3所示，试件编号中，UK表示U形卡节点，GT表示钩头螺栓节点，数字部分表示蒸压加气混凝土强度等级，模型设计如图7所示。

图6 蒸压加气混凝土墙板构造

图7 有限元分析模型

表3 模型设计参数表

2.1.2 结果分析

图8为不同混凝土强度试件极限承载力状态下节点位置应力云图。在极限状态下，卡槽应力均未达到其屈服强度，最终破坏形态为墙板受弯破坏，而钩头螺栓连接墙板均为节点处混凝土沿漏斗状破坏面的受拉破坏。

图8 极限承载力状态Miss应力

由图9荷载-跨中位移曲线及图10极限承载力-混凝土强度相关曲线可知：随着混凝土强度的提高，钩头螺栓连接墙板刚度及承载力有一定提高但并不显著，而U形卡连接墙板刚度及极限承载力显著提高；当混凝土强度一定时，极限承载力U形卡连接墙板较钩头螺栓连接墙板提高80.10%～154.75%。这是由于U形卡连接墙板最终破坏形态为墙板受弯破坏，其受弯性能主要取决于墙板整体抗弯能力，而钩头螺栓连接墙板最终破坏形态为节点沿漏斗状破坏面的拉脱，其受弯性能主要取决于混凝土的局部受拉。与钩头螺栓连接相比，U形卡连接墙板强度更高，且充分发挥了各项材料的受弯性能，施工较简便，更适用于封闭环境的地铁车站装配式施工。

图9 不同混凝土强度模型F-Δ曲线

2.2 U形卡构造形式

2.2.1 模型设计

工程中常用的U形卡节点构造形式有柔性连接(非焊接)及预埋焊接两种，为了研究节点构造对墙板受弯性能的影响，设计了2个U形卡节点墙板模型。节点及板构造示意分别如图5、图6所示，卡槽钢材采用Q345钢。模型设计参数如表4所示。

表4 模型参数

注：UK表示节点构造为柔性连接，UKFIX表示节点构造为预埋焊接。

2.2.2 结果分析

由卡槽应力云图11可知：当模型达峰值荷载时，两种构造措施卡槽均未屈服，最终破坏形态均表现为墙板受弯破坏；由于UKFIX卡槽翼缘与墙板间通过预埋件焊接，限制了墙板面外转动，故其卡槽翼缘应力较大。

图11 极限承载力状态卡槽Miss应力

图12 不同节点构造模型F-Δ曲线

图12为荷载-跨中挠度曲线，采用预埋焊接构造措施时，模型极限承载力提高20.52%，且刚度具有一定提高；这主要是由于预埋焊接的构造措施使卡槽翼缘对墙板形成有效约束，墙板端部节点由更加趋近于固定端，在墙板端部产生负弯矩，减小了墙板跨中弯矩，从而达到提高承载力的效果。预埋焊接构造虽然能一定程度提高墙板承载能力，但同时提高了墙板与主体结构间连接节点的刚度，使得墙板的地震作用增强；且由于地铁车站封闭施工环境的限制，不适合大面积现场焊接作业，故建议可采用柔性连接U形卡节点。

2.3 高厚比

2.3.1 模型设计

结合上述研究，设计了5个不同板厚模型以研究高厚比对U形卡节点墙板受弯性能的影响，节点及板构造示意分别如图5、图6所示，卡槽钢材采用Q345钢。模型参数如表5所示。

表5 模型参数

2.3.2 结果分析

图13为模型极限承载力状态下卡槽应力云图。由图13可知，卡槽腹板应力分布由上往下依次递增，且随板高厚比的减小，下翼缘应力逐渐增大；随着板厚增大，卡槽最大应力逐渐增大，但均未屈服。

图13 不同高厚比模型极限承载力状态卡槽Miss应力

图14、图15分别为荷载-跨中位移曲线及极限承载力-板厚相关曲线，随着板厚的增加，墙板极限承载力及刚度均显著提高，极限承载力UK300较UK150提高301.50%；这是由于模型最终均表现为墙板受弯破坏，故其受弯性能均由墙板控制所致。

图14 不同高厚比模型F-Δ曲线

2.4 配筋率

2.4.1 模型设计

设计了4个不同配筋率(纵筋直径)模型以研究配筋率对装配式墙板受弯性能的影响。模型均采用双排配筋，节点及板构造示意分别如图5、图6所示，卡槽钢材采用Q345钢。设计参数如表6所示。

图15 极限承载力-板厚相关曲线

表6 模型设计参数表

2.4.2 结果分析

模型极限承载力状态下卡槽应力云图如图16所示：卡槽腹板应力分布由上往下依次递增，且随配筋率的增大，下翼缘应力及卡槽最大应力均逐渐增大，但均未达屈服应力，模型最终仍表现为墙板受弯破坏。

图16 不同配筋率模型卡槽Miss应力

图17、图18分别为不同配筋率模型荷载-跨中位移曲线及极限承载力-配筋率相关曲线，由图可知：随着配筋率的增大，模型极限承载力不断提高，其中UK12较UK6提高70.60%；这是由于当极限承载力由墙板控制时，其配筋率对极限抗弯承载力有较大影响。

图17 不同配筋率模型F-Δ曲线

图18 极限承载力-配筋率相关曲线

3 结论

结合北京地铁19号线新发地地铁站装配式二次结构设计，基于试验，进行了蒸压加气混凝土墙板受弯性能的有限元建模与参数分析，主要结论与建议如下。

(1)建立的有限元模型分析结果与试验值吻合较好，适用于蒸压加气混凝土装配式墙板的受力分析。

(2)相较于钩头螺栓节点，U形卡节点能够提高装配式墙板极限承载力80.10%～154.75%，并且充分地发挥了各项材料的受弯性能。

(3)相较于柔性连接(非焊接)U形卡节点，预埋焊接U形卡节点能一定程度提高墙板极限承载力，但考虑地铁车站封闭施工环境对大面积焊接作业的限制，建议可采用柔性连接U形卡节点。

(4)通过减小墙板高厚比、提高配筋率及蒸压加气混凝土强度的方式均能有效地提高墙板极限承载力；工程设计时，需要注意节点与墙板之间受弯性能的匹配。