局部预制装配式地铁车站结构力学行为分析

任梦 曾德星 黄威 杨睿

摘 要：针对目前地铁车站传统现浇施工的缺点及全预制装配式地铁车站的防水和施工缺陷，提出局部预制装配式地铁车站结构及施工工艺。建立三维有限元计算模型，对比研究了整体现浇车站结构和局部预制车站结构的受力特征、变形行为和整体抗震性能。分析结果表明：局部预制车站与整体现浇车站的应力分布规律基本一致，预制和现浇结构的连接节点会出现较大的应力集中。中柱在地震反应中最为剧烈，是抗震薄弱构件。

关键词：地铁;结构设计;力学性能分析;数值计算;预制装配式车站

中图分类号：U451         文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）04-0140-03

1引言

近年来，国家大力推行装配式建造技术，推动装配式建筑取得突破性进展。装配式建造技术能发挥绿色、环保、高效的优势，弥补传统现浇建造技术的多方面不足，是工程建造未来的发展方向。

国内预制装配式建造技术的发展起步较国外晚，目前，装配式施工在交通基础设施建设领域的应用主要涉及公路、铁路、桥梁、综合管廊、地铁等领域[1-2]。在明挖法车站建造方面，预制装配化施工仍处于探索阶段。长春地铁2号线车站采用预制装配式施工工法，是国内首个预制装配式车站[3-7]。杨秀仁和黄美群[8]分析和探讨了长春地铁 2 号线预制装配车站关键技术。李兆平等[3]对长春地铁预制车站装配结构的接头力学性能进行了试验研究。陶连金等[9]研究在不同支撑方式下结构的受力和变形特性。北京地铁6号线金安桥站是北京首座整体装配式地铁车站。杜修力等[10]研究了北京金安桥预制拼装车站侧墙连接节点在循环荷载下的力学性能，进一步验证了车站整体的抗震性能。

地铁地下车站预制装配化不同于地面装配式建筑，面临深基坑开挖支护、防水等关键问题，类似长春地铁的全预制装配方案的理念具有很大的局限性。因此，本文在基于现有的地铁地下车站建造技术之上，提出局部装配式地铁车站一体化施工工法，并对相应的车站结构进行整体力学行为分析。

2局部装配式地铁车站一体化施工

地下工程施工涉及基坑开挖支护、防水等问题，全预制装配式车站施工的适用性和推广性有限，因此在現有的地铁地下车站建造技术的基础上，采用“预制+现浇”组合的方案，进行局部装配式地铁车站一体化施工，底板采用现浇施工工艺，在侧墙、中柱处预留钢筋;侧墙采用预制+现浇叠合墙施工工艺，预制侧墙兼做现浇侧墙模板;中板、中柱、中纵梁均预制，节点处现浇;顶板采用预制+现浇叠合工艺，预制顶板兼做现浇顶板底模。

2.1模型概况

如图 1所示，选取4环管片（单环幅宽1.5 m），采用MIDAS GTS建立三维“地层-实体”有限元模型，均采用实体单元建模，地层采用莫尔-库伦本构模型，混凝土材料采用弹性模型。地层及混凝土材料参数见表 1。

建立完全现浇车站和预制装配式车站的分析模型，在完全现浇车站模型中，车站墙板柱的节点完全耦合，在预制装配式车站模型中，预制构件与后浇混凝土界面设置摩擦滑移接触，接触面的粘聚力c取3MPa，摩擦角φ取38°。

2.2结构应力分析

结构最大主应力值可以判断结构受荷最大受拉位置，图 2显示容易发生受拉破坏的位置为层板下表面跨中位置，以及层板与竖向构件连接位置。

最小主应力值可以判断结构受荷最大受压位置。图 3显示，容易发生受压破坏的位置主要为中柱、中柱与底板/层板连接部位、层板上表面跨中位置。中柱作为主要的竖向承力构件，主要承受上部结构及土层的压力，所受压应力较大。

如图 2和图 3所示，预制车站与整体现浇车站的应力分布规律基本一致，在同样的荷载作用下，预制车站在发挥减少高支模、减少木模板和施工脚手架的使用，加快施工进度等优势的同时，其整体力学性能基本能达到整体浇筑车站的水平。

2.3结构变形分析

通过分析结构的水平和竖向变形量，判断结构变形最不利位置。对于结构竖向位移（图 4），预制车站顶板最大挠度为2.65 mm，中板最大挠度为2.48 mm，整体现浇车站顶板最大挠度为2.6 mm，中板最大挠度为2.46 mm。预制车站的整体变形量与现浇车站相差不大。

2.4预制与现浇结构结合面受力分析

侧墙和顶板均是预制+现浇叠合墙施工工艺，预制侧墙兼做现浇侧墙模板;预制顶板兼做现浇顶板底模。预制构件与现浇混凝土结合面属于受力薄弱面，对该结合面的法向应力和切向应力进行分析，如图 5和图 6所示，界面法向应力集中分布于各预制构件的后浇带处，而整体叠合面的应力幅值较小。如图 6所示，预制顶板和现浇顶板结合面承受较大的剪应力，这是由于顶板承受较大的压弯荷载所致。

2.5预制车站抗震性能分析

如图 7和图 8所示，在地震荷载作用下，车站结构上层相对位移较大，车站顶板发生最大的水平相对位移，这导致中柱的剪力在与中板连接位置达到最大值，同时，结构主应力主要集中在中柱与板的连接位置、顶板和侧墙的连接隅角，这些主要连接节点首先发生破坏后，顶板上覆土的大部分重量由中柱承担，因此中柱承受较大轴力，尤其是中柱底部的轴力最大。加上中柱由于上层结构的相对位移承受较大的剪应力，极易发生压剪破坏，造成中柱坍塌，因此在很多遭受地震破坏的车站结构中，中柱底部的损伤最为严重。由于中柱的倒塌，顶板两端采用刚性结点，侧壁上部外侧受弯发生张拉破坏，使顶板在中柱左右两侧的位置发生折弯，从而增大顶板的坍塌量。

3结论

（1）局部预制车站与整体现浇车站的应力分布规律基本一致，预制车站在发挥减少高支模、减少木模板和施工脚手架的使用，加快施工进度等优势的同时，其整体力学性能基本能达到整体浇筑车站的水平。

（2）局部预制装配式车站结构采用预制和现浇结合的型式，相比于完全预制装配式结构，其节点的刚度更大，节点质量更易保证。预制结构整体受力性能分析表明，现浇及预制结构的节点连接位置仍是整体结构的受力薄弱点，出现较大的应力集中。层板作为主要受弯构件，其下表面跨中位置容易发生受拉破坏。

（3）中柱在地震反应中最为剧烈，中柱在轴力和剪力作用下，最终发生压曲和弯曲的双重破坏，是抗震薄弱构件。在抗震设计时应当适当加大中柱刚度，以使车站结构构件的抗震能力相互协调，由此提高车站结构的整体抗震能力。

参考文献：

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[3] 李兆平，王臣，苏会峰，等.装配式地铁车站结构接头混凝土裂缝及接缝变形规律试验研究[J].土木工程学报，2015，48（S1）：409-413.

[4] 杨秀仁，黄美群，林放，等.地铁车站预制装配式结构注浆式榫槽接头试验方案研究[J].都市快轨交通，2019，32（5）：83-90.

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[8] 杨秀仁，黄美群.地铁车站预制装配新技术研究策略[J].都市快轨交通，2018，31（1）：78-85.

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[10]杜修力，刘洪涛，路德春，等.装配整体式地铁车站侧墙底节点抗震性能研[J].土木工程学报，2017，50（4）：38-47.