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裝配式建筑 | 裝配式車站出入口環(huán)框預(yù)制結(jié)構(gòu)沿車站縱向的受力分析

裝配式車站出入口環(huán)框預(yù)制結(jié)構(gòu)沿車站縱向的受力分析

摘要：為研究裝配式車站出入口環(huán)框預(yù)制結(jié)構(gòu)受力，給出入口環(huán)框設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，首先，分析裝配式車站預(yù)制環(huán)框從施工到使用各階段不同的荷載模式。其次，采用有限元計算方法，研究環(huán)框結(jié)構(gòu)從施工安裝階段、覆土回填階段到出入口施作完成階段的受力特點。然后，指出預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)同頂板結(jié)構(gòu)之間凹凸榫槽在完成接縫注漿后，沿車站縱向形成整體，對環(huán)框受力較為有利；同時，預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)與頂板形成整體后共同抵抗覆土階段及長期使用階段的各項荷載，可以滿足裝配式車站拼裝施工要求及后期車站結(jié)構(gòu)整體受力要求。最后，提供一種設(shè)置臨時鋼支撐的安全儲備措施，并對其結(jié)構(gòu)受力進行驗算，確保出入口環(huán)連續(xù)拼裝的安全可靠。

關(guān)鍵詞：裝配式車站；出入口環(huán)框預(yù)制構(gòu)件；結(jié)構(gòu)力學(xué)特性；荷載模式；有限元計算方法；增量法

0、引言

近年來，裝配式地鐵車站建造技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展迅速，楊秀仁等對裝配式車站存在的問題進行了系統(tǒng)研究分析。出入口環(huán)框結(jié)構(gòu)是裝配式車站的重要組成部分，采用預(yù)制結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)裝配式車站結(jié)構(gòu)連續(xù)拼裝，提高拼裝效率。預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)在拼裝過程中，存在多個工況，受力較為復(fù)雜，因此，需要分析預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)沿車站縱向的受力特點。探明預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)從施工到使用各階段的受力狀態(tài)及其變化規(guī)律，是實現(xiàn)裝配式車站連續(xù)快速拼裝、確保施工安全的重要基礎(chǔ)。

目前，對地鐵車站附屬接口處的力學(xué)行為研究多針對現(xiàn)澆車站及暗挖車站。郭正偉等以明挖現(xiàn)澆地鐵車站與風(fēng)道接口結(jié)構(gòu)設(shè)計問題為研究對象，結(jié)合相關(guān)理論及實際工程設(shè)計經(jīng)驗，從結(jié)構(gòu)布置、抗浮等角度展開分析與探討。劉元杰通過典型明挖現(xiàn)澆地鐵車站三維數(shù)值計算，得到了車站主體結(jié)構(gòu)開孔前與開孔后的內(nèi)力結(jié)果，總結(jié)了板墻開孔對主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律。何翊武等采用有限元數(shù)值分析模型對暗挖車站大斷面拱形斷面附屬接口開洞影響進行了研究。

但是，針對裝配式地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的研究還比較少；同時，裝配式車站的拼裝工藝與現(xiàn)澆車站、暗挖車站的施工工藝不同，結(jié)構(gòu)形式不同，荷載模式不同。因此，裝配式車站附屬接口處的受力特點明顯區(qū)別于現(xiàn)澆車站和暗挖車站。本文以深圳地鐵某裝配式車站為工程背景，在楊秀仁等、丁鵬等對裝配式車站的研究成果基礎(chǔ)上，對裝配式車站出入口環(huán)框結(jié)構(gòu)進行研究，分析環(huán)框結(jié)構(gòu)從施工到使用各階段的受力模式及邊界條件、環(huán)框結(jié)構(gòu)同頂板構(gòu)件之間的接縫注漿、對環(huán)框結(jié)構(gòu)承載的影響以及環(huán)框結(jié)構(gòu)在不同工況下的受力狀態(tài)。通過對裝配式地鐵車站出入口環(huán)框受力特點的研究，以期為后續(xù)裝配式車站環(huán)框結(jié)構(gòu)設(shè)計提供可借鑒的經(jīng)驗和方法。

1、裝配式車站概況

1.1車站斷面型式

裝配式車站結(jié)構(gòu)斷面采用站廳無柱、站臺有柱、拱頂直墻結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)總寬度為22.3m，結(jié)構(gòu)總高度為17.35m。車站斷面分塊主要為：頂板1塊、側(cè)墻2塊、中板1塊、底板1塊、站臺層設(shè)置預(yù)制中梁及中柱。裝配式車站結(jié)構(gòu)橫斷面如圖1所示。

1.2出入口環(huán)框設(shè)計方案

1.2.1環(huán)框結(jié)構(gòu)設(shè)計

裝配式地鐵車站附屬接口開口方式與盾構(gòu)隧道管片開口方式不同。盾構(gòu)隧道預(yù)制管片主要通過切割混凝土管片或拆除部分鋼管片2種方式形成側(cè)向開口。

本裝配式地鐵車站為大跨拱形斷面，若采用切割方式對預(yù)制構(gòu)件進行開口，由于開口寬度較大，需要連續(xù)開8m的跨度，對車站拱頂結(jié)構(gòu)受力影響顯著，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力集中和變形過大，造成結(jié)構(gòu)體系失穩(wěn)；此外，在實際施工中切割或者拆除預(yù)制構(gòu)件施工風(fēng)險大，在拆除過程需要架設(shè)大量的臨時支撐，車站結(jié)構(gòu)斷面較大，層高較大，增加了構(gòu)件拆除的風(fēng)險。為避免預(yù)制裝配式地鐵車站后期開口出現(xiàn)上述問題，裝配式地鐵車站采用特殊預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)的方式來實現(xiàn)車站接出入口的功能要求。

采用預(yù)制環(huán)框后，通過合理確定環(huán)框結(jié)構(gòu)的高度和同頂板、側(cè)墻的連接位置及連接方式，使出入口范圍頂板結(jié)構(gòu)同標準段頂板構(gòu)件保持一致，僅需在出入口段設(shè)置短側(cè)墻結(jié)構(gòu)，以匹配出入口環(huán)框設(shè)計。通過設(shè)置出入口環(huán)框可實現(xiàn)裝配式車站構(gòu)件拼裝的連續(xù)性，避免了后期出入口位置的切割，提高了施工效率，降低了施工風(fēng)險。

裝配式車站單環(huán)環(huán)寬2m，在出人口接口處采用預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)。出入口環(huán)框設(shè)計需滿足出入口結(jié)構(gòu)使用及管線布置的要求，由環(huán)框頂、底梁結(jié)構(gòu)高度，建筑使用凈空以及單環(huán)構(gòu)件環(huán)寬模數(shù)共同確定環(huán)框結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)。出入口預(yù)制環(huán)框總寬8m，結(jié)構(gòu)凈寬7，結(jié)構(gòu)高度為5.1m。裝配式車站出口環(huán)框示意如圖2所示。

預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)通過設(shè)置豎向凹凸榫槽以及張拉裝置與上部拱頂預(yù)制構(gòu)件、下部側(cè)墻預(yù)制構(gòu)件進行豎向連接。豎向凹凸榫可實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的快速拼裝，同時可有效傳遞施工、使用過程中的荷載。在接縫注漿之前，通過環(huán)框結(jié)構(gòu)與頂板、短側(cè)墻的豎向連接來確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。待接縫注漿完成后，環(huán)框結(jié)構(gòu)同頂板結(jié)構(gòu)形成一個整體。

環(huán)框結(jié)構(gòu)與前后相鄰標準環(huán)側(cè)墻構(gòu)件通過側(cè)面的凹凸榫及側(cè)墻張拉裝置進行連接，使環(huán)框與側(cè)墻預(yù)制構(gòu)件在縱向上成為整體。同時施加預(yù)加軸力壓緊橡膠密封墊，對接縫進行注漿密封，以保證環(huán)框結(jié)構(gòu)與相鄰預(yù)制構(gòu)件接縫的防水性能。為確保縱向連續(xù)拼裝更加平穩(wěn)、順利和安全，可以采取在環(huán)框內(nèi)設(shè)置豎向鋼支撐的臨時措施，使結(jié)構(gòu)施工更加安全可靠。出入口預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)如圖3所示，其幾何尺寸如表1所示，材料為C50混凝土并內(nèi)置型鋼。

1.2.2環(huán)框結(jié)構(gòu)施工工序

環(huán)框結(jié)構(gòu)主要施工步序如圖4所示。由圖可知，環(huán)框結(jié)構(gòu)連續(xù)拼裝施工步序為：拼裝全部底板一拼裝環(huán)框結(jié)構(gòu)前一環(huán)側(cè)墻及頂板一拼裝環(huán)框結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)下部短側(cè)墻一拼裝環(huán)框結(jié)構(gòu)一拼裝環(huán)框結(jié)構(gòu)范圍中樓板一拼裝環(huán)框結(jié)構(gòu)上部頂板一拼裝環(huán)框結(jié)構(gòu)后一環(huán)側(cè)墻及頂板。

2、環(huán)框結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

2.1安裝環(huán)框階段荷載模式

裝配式車站出入口段主要施工步序如下：

1）完成環(huán)框范圍的底板構(gòu)件及環(huán)框下部側(cè)墻構(gòu)件拼裝；

2）拼裝環(huán)框預(yù)制構(gòu)件以及環(huán)框范圍的中板構(gòu)件；

3）拼裝環(huán)框范圍的拱頂塊，接縫注漿；

4）車站剩余裝配段拼裝，車站頂板覆土；

5）后期出入口現(xiàn)澆段施工并與出入口環(huán)框連接，出入口施工完成。

出入口環(huán)框在吊裝就位后主要承受結(jié)構(gòu)自重。該階段環(huán)框結(jié)構(gòu)同底部側(cè)墻及前環(huán)側(cè)墻通過環(huán)向凹凸榫槽及縱向凹凸榫槽進行連接，環(huán)框底部約束主要為豎向支撐作用。在鄰近后續(xù)側(cè)墻的位置環(huán)框結(jié)構(gòu)為自由面。在此狀態(tài)下，依次吊裝拱頂結(jié)構(gòu)，該階段拱頂結(jié)構(gòu)自重均由環(huán)框結(jié)構(gòu)進行承載。該過程中，荷載增量為環(huán)框梁自重及頂板自重荷載。安裝階段環(huán)框結(jié)構(gòu)荷載模式如圖5所示。

2.2覆土階段荷載模式

拱頂預(yù)制構(gòu)件拼裝完成后，整個車站結(jié)構(gòu)形成封閉的環(huán)形斷面。后續(xù)側(cè)墻及拱頂構(gòu)件可按標準環(huán)步序進行后續(xù)構(gòu)件的拼裝，并對已拼裝成環(huán)的結(jié)構(gòu)進行接縫灌漿。灌漿材料采用改性環(huán)氧漿液，要求具有較好的初黏度以及較長的初凝期，以便接縫灌注密實：同時要求注漿材料黏結(jié)強度高、膠體性能及耐老化性能強。通過對接縫的灌漿處理，拱頂構(gòu)件在縱向張拉鋼棒的預(yù)緊力作用下，縱向剛度增加，構(gòu)件不再是單塊的散體結(jié)構(gòu)；同時，構(gòu)件拼裝、接縫注漿完成后，其整體剛度增加，出入口環(huán)處頂板結(jié)構(gòu)受前后頂板約束作用增強。

另外，出入口環(huán)框結(jié)構(gòu)同頂板及前后側(cè)墻結(jié)構(gòu)的連接，尤其是環(huán)框結(jié)構(gòu)同頂板構(gòu)件通過凹凸榫的連接以及高強度灌漿材料的連接，具有較強的咬合力以及黏結(jié)力，沿車站縱向環(huán)框結(jié)構(gòu)和頂板構(gòu)件之間抗滑移能力增強，這將使環(huán)框結(jié)構(gòu)同頂板構(gòu)件形成整體，共同抵抗后續(xù)外部荷載。其結(jié)構(gòu)受力機制同僅考慮環(huán)框結(jié)構(gòu)承擔(dān)所有荷載的模式有所區(qū)別。先施作的環(huán)框結(jié)構(gòu)和后施作的頂板結(jié)構(gòu)，通過有效的連接方式形成整體共同承載。在該過程中，荷載增量為頂板及側(cè)墻區(qū)域水土壓力。覆土階段環(huán)框結(jié)構(gòu)荷載模式如圖6所示。

2.3附屬結(jié)構(gòu)施工完成階段荷載模式

附屬結(jié)構(gòu)施工完成階段主要包括接環(huán)框的出入口結(jié)構(gòu)施作完成，并回填出入口上部土體。出入口環(huán)框需承擔(dān)因附屬土體回填引起的水土壓力。考慮到出入口結(jié)構(gòu)同環(huán)框結(jié)構(gòu)是通過鋼筋接駁器鋼性連接，該階段環(huán)框結(jié)構(gòu)、頂板結(jié)構(gòu)及出入口結(jié)構(gòu)共同承載外部水土壓力。在該過程中，荷載增量為附屬結(jié)構(gòu)自重及其區(qū)域內(nèi)的水土壓力q3。

2.4環(huán)框結(jié)構(gòu)受力模型分析

考慮環(huán)框結(jié)構(gòu)從施工過程到使用過程其結(jié)構(gòu)的邊界約束條件、整體剛度、外部荷載均存在變化，結(jié)構(gòu)計算采用增量法。下面對該計算模式進行具體分析。

用q1、q2、q3，表示有限元計算時荷載壓力作用在節(jié)點處的等效向量，假定K1p為環(huán)框梁先完成接縫注漿的側(cè)梁剛度矩陣，K2p表示環(huán)框梁底梁剛度矩陣，K3s與K3p分別表示環(huán)框梁另一側(cè)梁完成接縫注漿前后的矩陣剛度，K1v、K2v、K3v表示環(huán)框梁側(cè)梁及底梁與附屬結(jié)構(gòu)完成連接后的矩陣剛度。K1、K2、K3分別表示環(huán)框梁頂梁在工況1一3中的矩陣剛度，x1、x2、x3分別表示環(huán)框梁在工況1一3中的位移向量。則3個階段的有限元計算方程分別為：

可以得出最后完成階段環(huán)框梁的總位移為：

x=x1+x2+x3 (4)

3、環(huán)框結(jié)構(gòu)受力分析

3.1計算模型

MIDAS/GTS是一款主要模擬巖土工程與隧道工程的三維有限元分析軟件，通過激活單元可有效模擬施工階段的受力以及結(jié)構(gòu)剛度的變化。采用MIDAS/GTS NX對環(huán)框結(jié)構(gòu)安裝環(huán)框梁、拼裝頂板、覆土回填、施作出入口及覆土回填4個不同施工階段進行模擬，分析環(huán)框梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形的特點，同時分析在環(huán)框內(nèi)架設(shè)臨時豎向支撐工況對結(jié)構(gòu)受力的影響，為設(shè)計方案提供理論支撐。

根據(jù)第2節(jié)所述情況，建立基于“荷載-結(jié)構(gòu)”模式的三維有限元計算模型如圖7所示。環(huán)框梁模型尺寸參照表1的實際尺寸，環(huán)框立柱與環(huán)框頂?shù)琢褐苓厴?gòu)件的接縫采用轉(zhuǎn)動彈簧、軸向彈簧和剪切彈簧單元進行模型，跟進文獻[1]選取接頭的剛度（分別為1.06×10^6kN·m/rad，1.0×10^8kN/m，7.57×10^7kN/m）對環(huán)框結(jié)構(gòu)的受力進行模擬。頂部荷載按頂部覆土3m考慮。

3.2計算結(jié)果

分析通過對預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)不同工況下的受力分析，得出預(yù)制環(huán)框的內(nèi)力如表2所示。圖8示出不設(shè)鋼支撐覆土回填工況下環(huán)框結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。計算結(jié)果表明，環(huán)框結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件為頂板橫梁結(jié)構(gòu)，其跨中、支座彎矩較大：立柱彎矩僅在支座位置存在，沿立柱從上至下衰減較快，主要原因是環(huán)框前后側(cè)墻結(jié)構(gòu)對其縱向約束較強。

如圖9-圖11所示，不同施工工況下環(huán)框結(jié)構(gòu)彎矩、位移的變化規(guī)律。結(jié)果表明，不設(shè)置臨時豎向鋼支撐方案下，環(huán)框梁在自重工況下彎矩較小，在施作頂板工況下，頂板與環(huán)框梁接縫注漿尚未完成，環(huán)框梁單獨承受頂板壓力，此時環(huán)框梁頂梁跨中彎矩和支座彎矩增量分別為1273kN·m和1206kN·m。在頂板覆土回填工況下，環(huán)框梁與頂板已形成整體結(jié)構(gòu)，二者共同承受結(jié)構(gòu)自重及頂板上部水土壓力，此時環(huán)框梁頂梁跨中彎矩和支座彎矩增量分別為397kN·m和370kN·m。在施作出入口并覆土回填工況下，跨中彎矩和支座彎矩增量分別為75kN·m和70kN·m。

設(shè)置鋼支撐方案下，設(shè)置鋼支撐的環(huán)框梁在自重工況下頂梁彎矩很小。在施作頂板工況下，頂板與環(huán)框梁接縫注漿尚未完成，環(huán)框梁與鋼支撐共同承受頂板荷載，此時環(huán)框梁頂梁跨中和支座彎矩增量分別為209kN·m和227kN·m。在頂板覆土回填工況下，環(huán)框梁、頂板及鋼支撐三者共同承受結(jié)構(gòu)自重及頂板上部水土壓力，此時環(huán)框梁頂梁跨中彎矩和支座彎矩增量均為67kN·m，拆除鋼支撐工況下，彎矩增量為1093kN·m和979kN·m。施作出入口并覆土回填工況下，跨中彎矩和支座彎矩增量分別為76kN·m和70kN·m。

通過以上內(nèi)力變化分析可知：環(huán)框梁與頂板形成整體以后，后期荷載增量導(dǎo)致環(huán)框梁彎矩增量較小。施工出入口階段豎向荷載增量導(dǎo)致環(huán)框梁彎矩增量較小（有鋼支撐工況下彎矩增加4%，無鋼支撐工況下彎矩增加5%）。設(shè)置鋼支撐避免了環(huán)框梁作為獨立結(jié)構(gòu)承擔(dān)施工過程中的全部荷載，由環(huán)框梁承擔(dān)的荷載較小。對比環(huán)框梁有無鋼支撐的方案，發(fā)現(xiàn)在不設(shè)置鋼支撐方案下，當施作頂板且頂板與環(huán)框梁接縫注漿尚未完成時，環(huán)框梁頂梁跨中及支座最大彎矩分別為1397kN·m和1326kN·m：而設(shè)置了鋼支撐的方案下，該工況環(huán)框梁頂梁跨中及支座最大彎矩分別為226kN·m和247kN·m，彎矩減少了83%和81%。

當車站主體施作完成，覆土回填工況下，彎矩最大為293kN·m和314kN·m；拆撐鋼支撐后，彎矩最大為1386kN·m和1293kN·m，彎矩有所增大，此時環(huán)框梁與頂板已澆筑為整體，滿足受力要求。可見，在環(huán)框梁中設(shè)置鋼支撐能夠很好地輔助環(huán)框梁抵抗頂板傳遞下來的荷載。由此可見，設(shè)置臨時鋼支撐措施能夠使環(huán)框結(jié)構(gòu)受力更趨合理。

4、結(jié)論與討論

通過對出入口環(huán)框結(jié)構(gòu)施工階段及使用階段受力特性進行分析，可得出以下結(jié)論：

(1）出入口環(huán)框結(jié)構(gòu)存在3個主要受力階段：施作頂板階段、榫槽注漿完成頂板覆土階段、附屬結(jié)構(gòu)施工完成階段。

(2）出入口環(huán)框頂梁結(jié)構(gòu)受力是整個環(huán)框的重點，其跨中、支座彎矩較大。

(3）環(huán)框結(jié)構(gòu)在施工階段獨立承載自重以及頂板自重荷載，該階段環(huán)框結(jié)構(gòu)受力占比較大，在后續(xù)工況中其內(nèi)力增加較小。

(4）環(huán)框內(nèi)架設(shè)臨時支撐，能進一步降低環(huán)框結(jié)構(gòu)施工階段獨立承載時間，可有效減小環(huán)框結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形。

裝配式車站出入口采用預(yù)制環(huán)框結(jié)構(gòu)，通過榫槽注漿環(huán)框與頂板形成結(jié)構(gòu)整體后，共同抵抗后續(xù)工況中各項荷載，可以滿足裝環(huán)框結(jié)構(gòu)在出入口段連續(xù)拼裝施工及長期使用各階段的受力要求。下一階段將結(jié)合環(huán)框結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工對受力及變形進行監(jiān)測。