裝配式車站出入口環框預制結構沿車站縱向的受力分析

吳成剛， 羅杰俊， 林 放

(北京城建設計發展集團股份有限公司， 北京 137000)

0 引言

近年來,裝配式地鐵車站建造技術在國內發展迅速，楊秀仁等[1-2]對裝配式車站存在的問題進行了系統研究分析。出入口環框結構是裝配式車站的重要組成部分，采用預制結構可實現裝配式車站結構連續拼裝，提高拼裝效率。預制環框結構在拼裝過程中，存在多個工況，受力較為復雜，因此,需要分析預制環框結構沿車站縱向的受力特點。探明預制環框結構從施工到使用各階段的受力狀態及其變化規律，是實現裝配式車站連續快速拼裝、確保施工安全的重要基礎。

目前,對地鐵車站附屬接口處的力學行為研究多針對現澆車站及暗挖車站。郭正偉等[3]以明挖現澆地鐵車站與風道接口結構設計問題為研究對象，結合相關理論及實際工程設計經驗，從結構布置、抗浮等角度展開分析與探討。劉元杰[4]通過典型明挖現澆地鐵車站三維數值計算，得到了車站主體結構開孔前與開孔后的內力結果，總結了板墻開孔對主體結構內力的變化規律。何翊武等[5]采用有限元數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構的研究還比較少; 同時，裝配式車站的拼裝工藝與現澆車站、暗挖車站的施工工藝不同，結構形式不同，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別于現澆車站和暗挖車站。本文以深圳地鐵某裝配式車站為工程背景，在楊秀仁等[6-8]、丁鵬等[9-10]對裝配式車站的研究成果基礎上，對裝配式車站出入口環框結構進行研究,分析環框結構從施工到使用各階段的受力模式及邊界條件、環框結構同頂板構件之間的接縫注漿、對環框結構承載的影響以及環框結構在不同工況下的受力狀態。通過對裝配式地鐵車站出入口環框受力特點的研究，以期為后續裝配式車站環框結構設計提供可借鑒的經驗和方法。

1 裝配式車站概況

1.1 車站斷面型式

裝配式車站結構斷面采用站廳無柱、站臺有柱、拱頂直墻結構型式，結構總寬度為22.3 m，結構總高度為17.35 m。車站斷面分塊主要為： 頂板1塊、側墻2塊、中板1塊、底板1塊、站臺層設置預制中梁及中柱。裝配式車站結構橫斷面如圖1所示。

圖1 裝配式車站結構橫斷面圖(單位: m)

1.2 出入口環框設計方案

1.2.1 環框結構設計

裝配式地鐵車站附屬接口開口方式與盾構隧道管片開口方式不同。盾構隧道預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制構件進行開口，由于開口寬度較大，需要連續開8 m的跨度，對車站拱頂結構受力影響顯著，將導致結構受力集中和變形過大，造成結構體系失穩; 此外，在實際施工中切割或者拆除預制構件施工風險大,在拆除過程需要架設大量的臨時支撐，車站結構斷面較大，層高較大，增加了構件拆除的風險。為避免預制裝配式地鐵車站后期開口出現上述問題，裝配式地鐵車站采用特殊預制環框結構的方式來實現車站接出入口的功能要求。采用預制環框后，通過合理確定環框結構的高度和同頂板、側墻的連接位置及連接方式，使出入口范圍頂板結構同標準段頂板構件保持一致，僅需在出入口段設置短側墻結構，以匹配出入口環框設計。通過設置出入口環框可實現裝配式車站構件拼裝的連續性，避免了后期出入口位置的切割，提高了施工效率，降低了施工風險。

裝配式車站單環環寬2 m，在出入口接口處采用預制環框結構。出入口環框設計需滿足出入口結構使用及管線布置的要求，由環框頂、底梁結構高度，建筑使用凈空以及單環構件環寬模數共同確定環框結構的設計參數。出入口預制環框總寬8 m，結構凈寬7 m，結構高度為5.1 m。裝配式車站出口環框示意如圖2所示。

圖2 裝配式車站出口環框示意圖(單位: m)

預制環框結構通過設置豎向凹凸榫槽以及張拉裝置與上部拱頂預制構件、下部側墻預制構件進行豎向連接。豎向凹凸榫可實現預制構件的快速拼裝，同時可有效傳遞施工、使用過程中的荷載。在接縫注漿之前，通過環框結構與頂板、短側墻的豎向連接來確保結構的穩定。待接縫注漿完成后，環框結構同頂板結構形成一個整體。環框結構與前后相鄰標準環側墻構件通過側面的凹凸榫及側墻張拉裝置進行連接，使環框與側墻預制構件在縱向上成為整體。同時施加預加軸力壓緊橡膠密封墊，對接縫進行注漿密封，以保證環框結構與相鄰預制構件接縫的防水性能。為確保縱向連續拼裝更加平穩、順利和安全，可以采取在環框內設置豎向鋼支撐的臨時措施，使結構施工更加安全可靠。出入口預制環框結構如圖3所示，其幾何尺寸如表1所示，材料為C50混凝土并內置型鋼。

圖3 出入口預制環框結構

表1 出入口環框預制構件尺寸

1.2.2 環框結構施工工序

環框結構主要施工步序如圖4所示。由圖可知，環框結構連續拼裝施工步序為： 拼裝全部底板—拼裝環框結構前一環側墻及頂板—拼裝環框結構范圍內下部短側墻—拼裝環框結構—拼裝環框結構范圍中樓板—拼裝環框結構上部頂板—拼裝環框結構后一環側墻及頂板。

(a) 環框結構拼裝 (b) 頂板拼裝

(c) 頂板覆土 (d) 出入口施工并覆土

2 環框結構力學模型

2.1 安裝環框階段荷載模式

裝配式車站出入口段主要施工步序如下： 1)完成環框范圍的底板構件及環框下部側墻構件拼裝； 2)拼裝環框預制構件以及環框范圍的中板構件； 3)拼裝環框范圍的拱頂塊，接縫注漿； 4)車站剩余裝配段拼裝，車站頂板覆土； 5)后期出入口現澆段施工并與出入口環框連接，出入口施工完成。

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

圖5 安裝階段環框結構荷載模式

2.2 覆土階段荷載模式

拱頂預制構件拼裝完成后，整個車站結構形成封閉的環形斷面。后續側墻及拱頂構件可按標準環步序進行后續構件的拼裝，并對已拼裝成環的結構進行接縫灌漿。灌漿材料采用改性環氧漿液，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，拱頂構件在縱向張拉鋼棒的預緊力作用下，縱向剛度增加，構件不再是單塊的散體結構; 同時,構件拼裝、接縫注漿完成后，其整體剛度增加，出入口環處頂板結構受前后頂板約束作用增強。另外，出入口環框結構同頂板及前后側墻結構的連接，尤其是環框結構同頂板構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力，沿車站縱向環框結構和頂板構件之間抗滑移能力增強，這將使環框結構同頂板構件形成整體，共同抵抗后續外部荷載。其結構受力機制同僅考慮環框結構承擔所有荷載的模式有所區別。先施作的環框結構和后施作的頂板結構，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墻區域水土壓力。覆土階段環框結構荷載模式如圖6所示。

圖6 覆土階段環框結構荷載模式

2.3 附屬結構施工完成階段荷載模式

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

2.4 環框結構受力模型分析

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

(1)

(2)

(3)

可以得出最后完成階段環框梁的總位移為：

x=x1+x2+x3。

(4)

3 環框結構受力分析

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構剛度的變化[11]。采用MIDAS/GTS NX對環框結構安裝環框梁、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，分析環框梁結構內力、變形的特點，同時分析在環框內架設臨時豎向支撐工況對結構受力的影響，為設計方案提供理論支撐。

根據第2節所述情況，建立基于“荷載-結構”模式的三維有限元計算模型如圖7所示。環框梁模型尺寸參照表1的實際尺寸，環框立柱與環框頂底梁周邊構件的接縫采用轉動彈簧、軸向彈簧和剪切彈簧單元進行模型，根據文獻[1]選取接頭的剛度(分別為1.06×106 kN·m/rad,1.0×108 kN/m，7.57×107 kN/m)對環框結構的受力進行模擬。頂部荷載按頂部覆土3 m考慮。

圖7 結構計算有限元模型

3.2 計算結果分析

通過對預制環框結構不同工況下的受力分析，得出預制環框的內力如表2所示。圖8示出不設鋼支撐覆土回填工況下環框結構的內力。計算結果表明，環框結構主要受力構件為頂板橫梁結構，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，主要原因是環框前后側墻結構對其縱向約束較強。

表2 內力計算結果分析表(單環構件)

(a) 彎矩圖(單位： kN·m)

(b) 軸力圖(單位： kN)

(c) 剪力圖(單位： kN)

圖9—11分別示出不同施工工況下環框結構彎矩、位移的變化規律。結果表明，不設置臨時豎向鋼支撐方案下，環框梁在自重工況下彎矩較小，在施作頂板工況下，頂板與環框梁接縫注漿尚未完成，環框梁單獨承受頂板壓力，此時環框梁頂梁跨中彎矩和支座彎矩增量分別為1 273 kN·m和1 206 kN·m。在頂板覆土回填工況下，環框梁與頂板已形成整體結構，二者共同承受結構自重及頂板上部水土壓力，此時環框梁頂梁跨中彎矩和支座彎矩增量分別為397 kN·m和370 kN·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75 kN·m和70 kN·m。

設置鋼支撐方案下，設置鋼支撐的環框梁在自重工況下頂梁彎矩很小。在施作頂板工況下，頂板與環框梁接縫注漿尚未完成，環框梁與鋼支撐共同承受頂板荷載，此時環框梁頂梁跨中和支座彎矩增量分別為209 kN·m和227 kN·m。在頂板覆土回填工況下，環框梁、頂板及鋼支撐三者共同承受結構自重及頂板上部水土壓力，此時環框梁頂梁跨中彎矩和支座彎矩增量均為67 kN·m，拆除鋼支撐工況下，彎矩增量為1 093 kN·m和979 kN·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76 kN·m和70 kN·m。

圖9 環框梁跨中彎矩變化曲線

圖10 環框頂梁支座彎矩變化曲線

圖11 環框頂梁位移變化曲線

通過以上內力變化分析可知： 環框梁與頂板形成整體以后，后期荷載增量導致環框梁彎矩增量較小。施工出入口階段豎向荷載增量導致環框梁彎矩增量較小(有鋼支撐工況下彎矩增加4%，無鋼支撐工況下彎矩增加5%)。設置鋼支撐避免了環框梁作為獨立結構承擔施工過程中的全部荷載，由環框梁承擔的荷載較小。

對比環框梁有無鋼支撐的方案，發現在不設置鋼支撐方案下,當施作頂板且頂板與環框梁接縫注漿尚未完成時，環框梁頂梁跨中及支座最大彎矩分別為1 397 kN·m和1 326 kN·m; 而設置了鋼支撐的方案下，該工況環框梁頂梁跨中及支座最大彎矩分別為226 kN·m和247 kN·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293 kN·m和314 kN·m; 拆撐鋼支撐后，彎矩最大為1 386 kN·m和1 293 kN·m，彎矩有所增大，此時環框梁與頂板已澆筑為整體，滿足受力要求。可見，在環框梁中設置鋼支撐能夠很好地輔助環框梁抵抗頂板傳遞下來的荷載。由此可見，設置臨時鋼支撐措施能夠使環框結構受力更趨合理。

4 結論與討論

通過對出入口環框結構施工階段及使用階段受力特性進行分析，可得出以下結論。

1)出入口環框結構存在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、附屬結構施工完成階段。

2)出入口環框頂梁結構受力是整個環框的重點，其跨中、支座彎矩較大。

3)環框結構在施工階段獨立承載自重以及頂板自重荷載，該階段環框結構受力占比較大，在后續工況中其內力增加較小。

4)環框內架設臨時支撐，能進一步降低環框結構施工階段獨立承載時間，可有效減小環框結構的內力及變形。

裝配式車站出入口采用預制環框結構，通過榫槽注漿環框與頂板形成結構整體后，共同抵抗后續工況中各項荷載，可以滿足裝環框結構在出入口段連續拼裝施工及長期使用各階段的受力要求。下一階段將結合環框結構現場施工對受力及變形進行監測。