鄒振興

（福州地鐵集團(tuán)有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，預(yù)制裝配技術(shù)將成為主要的發(fā)展方向[1-2]，并在鐵道建設(shè)工程中得到廣泛應(yīng)用。然而，相較于地上建筑結(jié)構(gòu)裝配式施工，地下工程結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配技術(shù)理論與設(shè)計(jì)方法都不夠完善。

采用預(yù)制構(gòu)件可以提高地鐵工程施工的工業(yè)化程度，尤其是能明顯改善地鐵工程的施工環(huán)境[3-5]。雖然國(guó)內(nèi)已開(kāi)展了地鐵車站裝配式結(jié)構(gòu)相關(guān)的研究和實(shí)踐，但對(duì)車站內(nèi)二次結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配構(gòu)件研究還處于起步階段，如地鐵風(fēng)道預(yù)制技術(shù)，國(guó)內(nèi)外地鐵均無(wú)中板與下掛梁全預(yù)制的風(fēng)道先例可循。另外，地鐵車站樓梯、站臺(tái)方面的實(shí)踐亦較為少見(jiàn)。

本文將結(jié)合有限元軟件，對(duì)車站二次結(jié)構(gòu)采用預(yù)制裝配式構(gòu)件進(jìn)行研究，分析地震荷載作用下預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)抗震性能的薄弱點(diǎn)，找到預(yù)制二次構(gòu)件的易損部位，為地下車站裝配式二次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提供參考[6-8]。

1 地鐵車站裝配式二次結(jié)構(gòu)工程概況

某軌道交通車站為地下2 層島式（局部3 層），車站主體凈長(zhǎng)593.2m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為20.1m，車站設(shè)4 個(gè)出入口、3 個(gè)風(fēng)亭和6 個(gè)物業(yè)出入口，采用明挖順做法施工，見(jiàn)圖1。

圖1 軌道交通某車站平面布置圖

該站軌頂風(fēng)道、站臺(tái)板、樓梯等二次構(gòu)件均采用預(yù)制拼裝技術(shù)進(jìn)行施工。預(yù)制構(gòu)件包括3部分：預(yù)制軌頂風(fēng)道、預(yù)制站臺(tái)板、預(yù)制樓梯。預(yù)制構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，混凝土方量為379m3，其中預(yù)制軌頂風(fēng)道 87.1m3+57.7m3 （RPC），預(yù)制站臺(tái)板 142.6m3+74m3（RPC），預(yù)制樓梯12.6m3+5m3（RPC）。

2 構(gòu)件預(yù)制方案

2.1 預(yù)制軌頂風(fēng)道方案

軌道風(fēng)道預(yù)制范圍為54.4m，采用標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)道，寬度為1m，材料選擇C40 混凝土、RPC 混凝土，主體預(yù)埋?50 無(wú)縫鋼管，采用“吊桿+雙螺母”連接方式，吊點(diǎn)為6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊，見(jiàn)圖2。

圖2 預(yù)制軌頂風(fēng)道方案（單位：cm）

2.2 預(yù)制站臺(tái)板和樓梯方案

站臺(tái)板預(yù)制范圍為40.8m，采用標(biāo)準(zhǔn)站臺(tái)（含1 個(gè)扶梯坑），標(biāo)準(zhǔn)寬度為1.77/1.855m，地板頂預(yù)留限位槽，支座采用限位槽、塊間采用2/3 個(gè)螺栓連接；樓梯位于12～14 軸，尺寸為0.3m×2.1m，預(yù)制塊之間采用通脹螺栓連接固定，見(jiàn)圖3。

圖3 預(yù)制站臺(tái)板和樓梯方案（單位：cm）

3 裝配式構(gòu)件模型解析

裝配式軌頂風(fēng)道采用預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行拼裝，懸掛于車站中板和結(jié)構(gòu)側(cè)墻交接位置；軌頂風(fēng)道包含112 件拼裝構(gòu)件。樓梯包含4 件拼裝構(gòu)件；站臺(tái)板采用門式預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行拼裝，包含96 件拼裝構(gòu)件。構(gòu)件的數(shù)值模型見(jiàn)圖4。另外，預(yù)制二次結(jié)構(gòu)（軌頂風(fēng)道、樓梯、站臺(tái)板）構(gòu)件混凝土等級(jí)為C40，保護(hù)層厚度為30mm，配筋如表1所示，材料參數(shù)如表2所示。構(gòu)件采用實(shí)體單元模擬，鋼筋采用可與實(shí)體網(wǎng)格自動(dòng)耦合的鋼筋單元，考慮墊塊、螺母、混凝土之間的接觸，鋼材間界面摩擦因子取0.45，混凝土與鋼材界面摩擦因子取0.60，且鋼材與混凝土體界面考慮黏結(jié)滑移特性。為分析運(yùn)營(yíng)期軌頂風(fēng)道、樓梯、站臺(tái)板的力學(xué)性能，施加1.2kN/m2的風(fēng)壓荷載、2kN/m2的內(nèi)部檢修荷載于裝配式軌頂風(fēng)道、站臺(tái)板，施加4kN/m2的人群荷載于樓梯。

表1 預(yù)制部件配筋表

表2 材料參數(shù)表

圖4 研究構(gòu)件數(shù)值模型

4 抗震性能分析

4.1 時(shí)程分析法

對(duì)某軌道交通車站中的預(yù)制二次結(jié)構(gòu)（軌頂風(fēng)道、樓梯、站臺(tái)）進(jìn)行抗震性能分析，對(duì)構(gòu)件模型施加地震加速度，采用時(shí)程分析法分析。地震波波形如圖5所示。

圖5 地震波波形圖

4.2 地震作用下預(yù)制軌頂風(fēng)道變形情況

圖6、圖7分別為地震作用下裝配式軌頂風(fēng)道水平、豎向變形圖。圖8 為軌頂風(fēng)道應(yīng)力分布圖。從圖6 可見(jiàn)，最大水平變形（0.02mm）位于風(fēng)道高墻底部位置，變形由高墻底部向上側(cè)逐漸遞減呈帶狀分布。圖7為地震作用下裝配式軌頂風(fēng)道豎向變形圖。由圖7可見(jiàn)，最大豎向變形（-0.008mm）位于風(fēng)道底部位置，變形程度由底板向兩側(cè)高低墻逐漸遞減。預(yù)制風(fēng)道在地震作用下變形較小，且變形分布均勻。由圖8可見(jiàn)，軌頂風(fēng)道受拉應(yīng)力作用，應(yīng)力呈對(duì)稱分布且自中間向兩側(cè)遞減，最大拉應(yīng)力為1.45MPa，小于所采用混凝土的抗拉強(qiáng)度。另外，鋼管灌漿連接處和拼接接觸面應(yīng)力較大、出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力位于鋼管灌漿連接邊緣位置。因此，地震對(duì)裝配式軌頂風(fēng)道力學(xué)性能影響較小，可以滿足使用安全要求。

圖6 水平變形

圖7 豎向變形

圖8 軌頂風(fēng)道應(yīng)力分布圖

4.3 地震作用下預(yù)制樓梯變形情況

圖9、圖10 分別為地震作用下裝配式樓梯水平變形、豎向變形圖。由圖9可見(jiàn)，預(yù)制樓梯最大水平變形（-0.112mm）出現(xiàn)在樓梯板跨中位置，變形程度由梯段跨中向兩側(cè)逐漸遞減。由圖10 可見(jiàn)，最大豎向變形（0.2mm）出現(xiàn)在樓梯板跨中位置，變形程度由梯段跨中向兩側(cè)逐漸遞減。預(yù)制樓梯在地震作用下變形較小，且變形分布較為均勻。另外，樓梯跨中和連接處應(yīng)力較大，出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力位于上跨跨中，但遠(yuǎn)小于所采用混凝土的抗拉強(qiáng)度。鋼筋螺栓最大應(yīng)力位于螺栓中部，遠(yuǎn)小于螺栓抗拉強(qiáng)度。灌漿料所受拉應(yīng)力較小，底部拉應(yīng)力最大，但仍低于C40 級(jí)灌漿料抗拉強(qiáng)度。因此，地震對(duì)裝配式樓梯力學(xué)性能的影響較小，可以滿足使用安全要求。

圖9 水平變形

圖10 豎向變形

4.4 地震作用下預(yù)制站臺(tái)變形圖

圖11、圖12 分別為地震作用下裝配式站臺(tái)的水平變形、豎向變化圖。由圖11 可見(jiàn)，預(yù)制站臺(tái)板最大水平變形（1.30×10-6mm）位于門式構(gòu)件承托位置，變形程度由預(yù)制站臺(tái)頂部向底部逐漸遞減。由圖12 可見(jiàn)，最大豎向變形（6×10-6mm）位于站臺(tái)板跨中位置，變形由站臺(tái)板跨中向兩側(cè)逐漸遞減呈帶狀分布。預(yù)制站臺(tái)在地震作用下變形較小，且變形分布均勻。另外，站臺(tái)板跨中和連接處應(yīng)力較大，出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力位于連接處，但遠(yuǎn)小于所采用混凝土的抗拉強(qiáng)度和螺栓抗拉強(qiáng)度。因此，地震對(duì)裝配式站臺(tái)板力學(xué)性能影響較小，可以滿足使用安全要求。

圖11 水平變形

圖12 豎向變形

5 結(jié)論

（1）地震荷載作用下，地鐵車站中預(yù)制二次構(gòu)件應(yīng)力集中現(xiàn)象多出現(xiàn)于螺栓洞口、拼接接觸面位置，預(yù)制軌頂風(fēng)道、預(yù)制樓梯、預(yù)制站臺(tái)的應(yīng)力最大值均小于C40混凝土的屈服強(qiáng)度。

（2）預(yù)制結(jié)構(gòu)連接中所使用的螺栓、灌漿料應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度，預(yù)制構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)在地震作用下不會(huì)因地震荷載作用而破壞。

（3）根據(jù)本節(jié)所建模型計(jì)算結(jié)果可知，在地震荷載作用下預(yù)制二次構(gòu)件不會(huì)先于地鐵車站主體破壞。