許煜成 華俊杰 周愛兆 劉 義

（1.鎮(zhèn)江市規(guī)劃勘測設(shè)計集團有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212004；2.江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

0 引言

盾構(gòu)法施工中，由于盾構(gòu)過站時所進行的隧道施工與車站結(jié)構(gòu)施工存在矛盾，會降低盾構(gòu)設(shè)備的使用效率，并縮短其使用壽命，對施工工期和經(jīng)濟效益產(chǎn)生不利影響。基于此，一種新型的盾構(gòu)擴建地鐵車站的施工工法——SCB 法［1］被提出。采用這類工法所建造的地鐵車站結(jié)構(gòu)其隧道管片與車站結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點近似呈Y 型，是一種裝配式節(jié)點。由于此類節(jié)點處于盾構(gòu)管片、墻柱和基坑開挖圍護樁相交接的位置，節(jié)點整體受力水平較大，是整個車站結(jié)構(gòu)的薄弱位置。

目前，針對此類節(jié)點的研究多集中于對其靜力加載條件下節(jié)點力學(xué)變形及極限承載能力方面的研究，而對此類節(jié)點動力性能的研究還不多見。如禹海濤等［2］對1∶10 的沉管隧道管節(jié)接頭進行了力學(xué)性能試驗，得到了管節(jié)接頭在不同軸向壓力下的彎矩—轉(zhuǎn)角曲線、壓縮量曲線和剪力—剪切位移曲線；金躍郎等［3］對大斷面矩形盾構(gòu)隧道管片接頭的極限抗彎承載力進行了試驗，對管片接頭結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及其極限承載能力和極限破壞狀態(tài)進行了研究；封坤等［4］以廣深港高速鐵路獅子洋隧道工程為例，對高軸壓作用下復(fù)雜接縫面管片接頭的破壞特征及抗彎性能進行了足尺試驗研究。以上研究對節(jié)點在靜力加載條件下的力學(xué)變形性能進行了深入研究，但對節(jié)點在動力條件下的抗震性能則關(guān)注較少。

基于此，為了提高SCB 法施中Y 型裝配式節(jié)點的抗震性能，本研究以混凝土彈塑性損傷本構(gòu)模型理論為基礎(chǔ)，建立Y 型裝配式節(jié)點的三維非連續(xù)接觸模型，精確模擬Y 型裝配式節(jié)點在擬靜力外力作用下的抗震性能，對節(jié)點的破壞模式、荷載—位移滯回特性、剛度退化特性等進行了對比分析。本研究可為今后類似節(jié)點的設(shè)計及施工提供有益的借鑒和參考。

1 混凝土彈塑性損傷本構(gòu)模型

拉壓異性（強度和剛度在拉力或壓力作用下不同）是混凝土的典型性質(zhì)之一，因此，管片及墻柱材料以混凝土彈塑性損傷本構(gòu)模型進行模擬。當(dāng)混凝土材料處于彈性形變階段時，以彈性本構(gòu)模型對其力學(xué)行為進行描述，在進入塑性損傷階段后，其相應(yīng)的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系可表示為式（1）［5-6］。

式中：σ為應(yīng)力張量；d為損傷因子；E0為彈性模量；ε為總應(yīng)變張量；εp為塑性應(yīng)變張量。

混凝土材料的塑性損傷本構(gòu)模型采用非關(guān)聯(lián)塑性流動法則，流動勢函數(shù)采用D-P 函數(shù)?；炷翐p傷階段單軸受壓本構(gòu)模型采用式（2）［7］。

式中：fc為混凝土單軸抗壓強度設(shè)計值；ε0為屈服應(yīng)變；εu為極限應(yīng)變。

混凝土塑性損傷階段單軸抗拉本構(gòu)模型采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（2015 年版）》（GB 50010—2010）［8］附錄中的推薦計算公式，即式（3）。

式中：ε*為損傷應(yīng)變閾值；ε～in為混凝土拉壓受力時的非彈性應(yīng)變。

2 Y型裝配式節(jié)點三維非連續(xù)接觸計算模型

由于節(jié)點用于連接預(yù)制盾構(gòu)管片與現(xiàn)澆車站墻柱結(jié)構(gòu)，在節(jié)點構(gòu)筑前，需在盾構(gòu)管片端頭內(nèi)部預(yù)埋鋼筋套筒，在多余管片拆除后，以鋼筋套筒連接盾構(gòu)管片和墻柱結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋，最后澆筑墻柱結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 節(jié)點構(gòu)造

其中，盾構(gòu)管片采用C50混凝土，內(nèi)徑為5.40 m，外徑為6 m，其端面尺寸為0.30 m×0.48 m，管片總長1.66 m；墻柱采用C40混凝土澆筑，高1.67 m，頂部截面為0.68 m×0.48 m，其上下由部分側(cè)墻及下部墻柱組成；試驗底座采用C50 混凝土，長1.95 m、寬0.96 m、高0.50 m。本研究將上部土體荷載等效為作用于管片頂點的豎向作用力，采用ABAQUS 有限元軟件建立了Y 型裝配式節(jié)點的三維非連續(xù)接觸模型，以模擬Y 型裝配式節(jié)點在擬靜力外力作用下的抗震性能，如圖2所示。

圖2 節(jié)點三維非連續(xù)接觸模型

3 計算參數(shù)

C40 混凝土楊氏模量E=32.5 GPa，泊松比γ=0.2，C50 混凝土楊氏模量E=34.5 GPa，泊松比γ=0.2?；炷良裘浗铅?15°，流動式偏移量κ=0.1；雙軸與單軸受壓強度比σb0/σc0=1.16，不變量應(yīng)力比Kc=0.666 7；黏滯系數(shù)μ=0。鋼筋采用HRB335 鋼筋，楊氏模量E=200 GPa，泊松比γ=0.2。

4 試件加載制度設(shè)計

試驗采用位移混合加載的方式進行加載，每級加載進行3次循環(huán)，采用混合加載方式，即±10 mm以內(nèi)，以±1 mm遞增；超過±10 mm之后，以±2 mm遞增，當(dāng)荷載—位移曲線出現(xiàn)下降，且荷載降至極限承載力的85%時認為試件破壞，試驗結(jié)束，加載制度如圖3所示。

圖3 加載制度

5 計算結(jié)果分析

5.1 節(jié)點破壞現(xiàn)象與破壞特征

節(jié)點應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖4可知，管片最大受力位置集中于盾構(gòu)管片與墻柱連接接觸位置，其最大應(yīng)力值為16.8 MPa，而在管片與墻柱接觸位置底部最大應(yīng)力值超出了混凝土最大抗壓強度應(yīng)力值，出現(xiàn)塑性流動現(xiàn)象，說明節(jié)點破壞的主要原因為節(jié)點接觸位置管片底部混凝土被壓碎。而在管片與墻柱接觸位置的中上部也出現(xiàn)塑性破壞現(xiàn)象，其主要原因為接觸面中上部受到拉應(yīng)力作用，其最大拉應(yīng)力超出混凝土的最大抗拉強度值。當(dāng)位移值Δ=28 mm 時，循環(huán)荷載峰值降至極限荷載的85%左右，加載結(jié)束。

5.2 滯回特征分析

節(jié)點滯回曲線如圖5所示。由圖5可知，節(jié)點滯回曲線呈現(xiàn)非對稱性，其主要原因在于管片與墻柱接觸面為斜截面。而滯回曲線呈反S 形，其斜率不斷減小，說明試件剛度不斷降低。滯回環(huán)呈現(xiàn)較為明顯的捏攏效應(yīng)，說明節(jié)點內(nèi)部鋼筋出現(xiàn)相對滑移現(xiàn)象。

圖5 節(jié)點滯回曲線

5.3 骨架曲線

節(jié)點骨架曲線如圖6所示。由圖6可知，節(jié)點骨架曲線呈反S 形，說明在擬靜力加載過程中，節(jié)點大致經(jīng)歷了線彈性變形、塑性屈服和極限破壞三個階段。如圖6 所示，節(jié)點初始剛度約為28.36 kN/mm，其剛度值滿足節(jié)點的設(shè)計要求。此外，與滯回曲線相對應(yīng)，節(jié)點在低周循環(huán)加載中呈現(xiàn)明顯的非對稱特性。試件屈服至破壞過程中，節(jié)點骨架曲線過渡平滑，說明節(jié)點工作性能較為穩(wěn)定。

圖6 節(jié)點骨架曲線

6 結(jié)論

本研究以盾構(gòu)擴建地鐵車站結(jié)構(gòu)的Y 型裝配式節(jié)點為研究對象，基于混凝土彈塑性損傷本構(gòu)理論，建立了Y型裝配式節(jié)點的三維非連續(xù)接觸模型。通過對Y型裝配式節(jié)點在擬靜力外力作用下的破壞機理、荷載—位移滯回特性、剛度退化特性等進行了對比研究，得出以下結(jié)論。

①節(jié)點破壞的主要原因為接觸位置管片底部混凝土被壓碎破壞，使得節(jié)點喪失承載能力，由于管片與墻柱接觸面中上部受到拉應(yīng)力作用，在管片與墻柱接觸位置的中上部出現(xiàn)塑性流動現(xiàn)象。

②由于管片與墻柱接觸面為斜截面，節(jié)點滯回曲線呈現(xiàn)出非對稱性，滯回環(huán)呈現(xiàn)較為明顯的捏攏效應(yīng)。

③節(jié)點在破壞過程中大致經(jīng)歷了線彈性變形、塑性屈服和極限破壞三個階段，其骨架曲線呈反S形，且呈現(xiàn)明顯的非對稱特性。