基于原位監(jiān)測的裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)拱頂接頭力學(xué)性能分析

林 放

(1. 北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 北京 100037； 2. 城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國家工程研究中心， 北京 100037)

0 引言

裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)具有安全、高質(zhì)、高效、綠色環(huán)保等顯著優(yōu)勢[1-3]。其中，預(yù)制構(gòu)件連接接頭是裝配式結(jié)構(gòu)的核心，其不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)和承載特性[4-5]，也關(guān)系到構(gòu)件制作工藝、施工拼裝工藝及結(jié)構(gòu)防水性能等[3]。綜合考慮裝配式地下結(jié)構(gòu)的特點，為充分發(fā)揮預(yù)制裝配技術(shù)工序簡捷、準(zhǔn)確定位、快速拼裝的優(yōu)勢，研發(fā)了注漿式榫槽接頭(見圖1)[3, 6-8]連接預(yù)制構(gòu)件，以實現(xiàn)裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)的快速拼裝[9]。

圖1 注漿式榫槽接頭示意圖

注漿式榫槽接頭采用“榫卯結(jié)構(gòu)”技術(shù)，并在榫頭和榫槽空隙內(nèi)填充高性能漿液，不僅能彌合接縫和有效傳遞應(yīng)力，還能限制榫槽和榫頭界面錯位，強(qiáng)化連接。文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]通過一系列的試驗研究和計算分析，已經(jīng)掌握了注漿式榫槽接頭這種非剛性接頭的承載特性，揭示的接頭變剛度和變承載能力特征[12-14]使得裝配式地下結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的承載能力和變形性能得以充分體現(xiàn)。

長春裝配式車站結(jié)構(gòu)采用注漿式榫槽接頭連接形式，其中，拱頂接頭連接最重的2塊預(yù)制構(gòu)件D和E(見圖2)。DE拱頂接頭為雙榫接頭，文獻(xiàn)[15]針對注漿式榫槽接頭的承載性能和剛度特征開展了一系列不同荷載工況、不同接頭型式的1∶1原型試驗研究，揭示出雙榫接頭的2個榫頭表現(xiàn)出一拉一壓2種性質(zhì)，并獲得了雙榫接頭的變剛度特性[15]。另外，作為三鉸拱的重要組成元素，拱頂接頭的承載性能對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用。

為此，本文基于注漿式榫槽接頭試驗研究成果和數(shù)值及理論分析研究成果，通過在長春地鐵裝配式車站開展的結(jié)構(gòu)長期原位監(jiān)控量測，對拱頂接頭進(jìn)行整個施工期的性能分析。裝配式車站的現(xiàn)場原位監(jiān)測在國內(nèi)外尚屬首次，裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)接頭在實際使用過程中的受力狀態(tài)尚無文獻(xiàn)可供參考。因此，基于施工階段監(jiān)測的拱頂接頭性能分析對裝配式地下結(jié)構(gòu)設(shè)計有很大的實際指導(dǎo)意義。

圖2 裝配式地鐵車站單環(huán)結(jié)構(gòu)

1 拱頂接頭原位監(jiān)測方案

監(jiān)測車站全長187.6 m，其中現(xiàn)澆段位于車站兩端，總長為61. 6 m；預(yù)制裝配段位于車站中部，總長為126 m，沿車站縱向共布置63環(huán)，其中標(biāo)準(zhǔn)環(huán)為55環(huán)，出入口環(huán)為8環(huán)。測試環(huán)位于車站南部，如圖3所示。

圖3 測試環(huán)分布平面圖

自拱頂2塊預(yù)制構(gòu)件D、E落拱開始至今，覆土回填完成約22個月，包含施工期間的幾個關(guān)鍵步序： 肥槽回填、頂部分層回填、局部恢復(fù)路面+底板澆筑、水位恢復(fù)以及出入口開挖。7個接頭均布置有應(yīng)變計用于接頭內(nèi)力監(jiān)測，除AB接頭和BC接頭考慮到道床、站臺板等施作影響測縫計測量外，其余接頭布置有變形監(jiān)測裝置。

拱頂接頭布置有振弦式測斜儀、振弦式表面測縫計和振弦式應(yīng)變計(見圖4(a))，用于接頭全施工過程的性能監(jiān)測，通過監(jiān)測接頭變形和應(yīng)力進(jìn)行接頭性能研究。測斜儀(單軸傾角儀)BGK6150的標(biāo)準(zhǔn)量程為±10°，分辨力<10″，安裝在構(gòu)件接頭處外壁上，通過監(jiān)測接頭處2塊構(gòu)件的傾斜進(jìn)行接頭相對轉(zhuǎn)角的測量，相對轉(zhuǎn)角值為分裝于D、E構(gòu)件接頭處測斜儀所測角度之和。測縫計BGK4420的標(biāo)準(zhǔn)量程為100 mm，分辨力為0.025%F·S，安裝于接頭背水面?zhèn)龋靡员O(jiān)測接縫的開合。測縫計和測斜儀現(xiàn)場布置見圖4(b)。應(yīng)變計BGK4200的標(biāo)準(zhǔn)量程為3 000 με，分辨力為0.035%F·S，埋設(shè)在接頭結(jié)構(gòu)內(nèi)，用以監(jiān)測混凝土應(yīng)變，應(yīng)變計現(xiàn)場布置見圖4(c)。

監(jiān)測傳感器包括預(yù)埋的應(yīng)變計以及表面安裝的測縫計和測斜儀，通過屏蔽通信線纜接入到現(xiàn)場采集儀中(BGK-Micro-40)，由采集儀定時采集傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲在采集儀內(nèi)存中并將采集結(jié)果上傳到DTU設(shè)備，DTU設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后通過移動4G網(wǎng)絡(luò)傳送到云平臺，在云平臺完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、計算、分析，并通過網(wǎng)頁和手機(jī)APP的形式展示數(shù)據(jù)分析結(jié)果給用戶。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 接縫應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

混凝土應(yīng)變計測試結(jié)果為微應(yīng)變，為了更加直觀地進(jìn)行分析，將其應(yīng)變都轉(zhuǎn)換為應(yīng)力來表示，混凝土的彈性模量取規(guī)范中C50混凝土的彈性模量3.45×104MPa。圖6—8為3個測試環(huán)測點應(yīng)力隨時間的變化曲線，3個測試環(huán)均位于車站設(shè)備用房區(qū)。由圖6—8可以看出：

1)靠近背水面測點(a和b)在D塊和E塊構(gòu)件拼接落拱成環(huán)開始(坐標(biāo)軸起點位置)，拉應(yīng)力增大。考慮原因為大型構(gòu)件D、E落拱之后組成為新的結(jié)構(gòu)，頂部新結(jié)構(gòu)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，在無周邊軸力支撐作用下，結(jié)構(gòu)背水面表現(xiàn)出受拉。

2)肥槽回填之后到頂部上覆土分層回填開始，所有測點呈現(xiàn)出拉應(yīng)力震蕩式緩慢增加。考慮原因為用于約束拱腳的絲杠在此階段陸續(xù)安裝，并且肥槽回填對頂部拱形構(gòu)件的拱腳約束作用分為混凝土硬化前和硬化后，肥槽回填混凝土硬化后約束作用更大。

3)隨著頂部分層回填，由于外部軸力的增大，所有測點拉應(yīng)力下降，除測試環(huán)1位于榫頭的E-a和E-c測點拉應(yīng)力下降到接近0位置外，其余測點均先后出現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)。局部恢復(fù)路面+底板澆筑約2個月后壓應(yīng)力略微減小，之后3個測試環(huán)的D-a或E-a位置測點逐漸恢復(fù)并穩(wěn)定在0附近的拉應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力值不超過0.4 MPa。

4)靠近測試環(huán)的西南和東南出入口開挖后，處于壓應(yīng)力狀態(tài)的b和c位置測點壓應(yīng)力逐漸減小，在南邊出入口開挖之后陸續(xù)進(jìn)入拉應(yīng)力狀態(tài)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在受拉側(cè)榫頭外側(cè)測點E-a位置，最大值為1.64 MPa，其余值不超過1.15 MPa。隨后，出入口開挖帶來的擾動逐漸消失，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，所有測點拉應(yīng)力減小，朝壓應(yīng)力狀態(tài)發(fā)展，并最終穩(wěn)定在一個較小的壓應(yīng)力值。

5)從整個施工過程可以看出，接頭應(yīng)力整體變化幅度不大，應(yīng)力變化最大的是受拉側(cè)(背水面)榫頭壁a位置，其次是受壓側(cè)榫頭壁c位置，在出入口開挖完成之前，a、c分別代表拉、壓2種狀態(tài)，拱頂接頭的2個榫頭表現(xiàn)出一拉一壓2種性質(zhì)。在出入口開挖完成、設(shè)備用房施工完成之后,3個測試環(huán)基本都處于壓應(yīng)力狀態(tài)。

1)S1代表肥槽回填； S2代表頂部分層回填； S3代表局部恢復(fù)路面+底板澆筑； S4代表水位恢復(fù)； S5代表中板澆筑； S6代表東北出入口開挖； S7代表西南出入口開挖； S8代表東南出入口開挖； S9代表西北出入口開挖； S10代表設(shè)備用房建造。2)D-a、E-a、D-b、D-c、E-c表示位于接頭D/E塊構(gòu)件上應(yīng)變計a、b、c對應(yīng)測試結(jié)果值。

1)S1代表肥槽回填； S2代表頂部分層回填； S3代表局部恢復(fù)路面+底板澆筑； S4代表水位恢復(fù)； S5代表中板澆筑； S6代表東北出入口開挖； S7代表西南出入口開挖； S8代表東南出入口開挖； S9代表西北出入口開挖； S10代表設(shè)備用房建造。2)D-a、E-a、D-b、E-b、D-c、E-c表示位于接頭D/E塊構(gòu)件上應(yīng)變計a、b、c對應(yīng)測試結(jié)果值。

1)S1代表肥槽回填； S2代表頂部分層回填； S3代表局部恢復(fù)路面+底板澆筑； S4代表水位恢復(fù)； S5代表中板澆筑； S6代表東北出入口開挖； S7代表西南出入口開挖； S8代表東南出入口開挖； S9代表西北出入口開挖； S10代表設(shè)備用房建造。2)D-a、E-a、D-b、D-c、E-c表示位于接頭D/E塊構(gòu)件上應(yīng)變計a、b、c對應(yīng)測試結(jié)果值。

3 接縫變形結(jié)果分析

拱頂接頭整個施工階段在監(jiān)測面(背水面)表現(xiàn)出朝受拉側(cè)方向變形，變形姿態(tài)見圖9。接縫注漿段寬5 mm，即接頭兩端部非注漿段初始縫寬5 mm，整個建造受力過程中，接縫并未張開，注漿段仍保持良好的粘結(jié)，接頭背水面朝張開方向產(chǎn)生相對變形量，接頭迎水面朝壓縮方向產(chǎn)生相對變形量。

θ為接頭相對轉(zhuǎn)角; A為迎水面接頭相對變形量(受壓側(cè))； B為背水面接頭相對變形量(受拉側(cè))。

圖10示出接頭相對轉(zhuǎn)角隨時間變化曲線，空白部分為施工擾動帶來的數(shù)據(jù)缺失，監(jiān)測至S6出入口開挖前位于D塊上的測斜儀由于受裝修擾動，致使傳感器線纜故障造成后續(xù)數(shù)據(jù)缺失，故接頭相對轉(zhuǎn)角監(jiān)測數(shù)據(jù)取值到S6出入口開挖前。可以看出：

1)接頭相對轉(zhuǎn)角在D塊和E塊構(gòu)件拼接落拱結(jié)構(gòu)成環(huán)剛開始，由于大型構(gòu)件落拱結(jié)構(gòu)成環(huán)自適應(yīng)變形和儀器初采對擾動的高敏感性，初始值在0.027°，隨著新拼接結(jié)構(gòu)自適應(yīng)穩(wěn)定，相對轉(zhuǎn)角值隨時間表現(xiàn)為下降趨勢。

2)由于肥槽分層回填，相對轉(zhuǎn)角在小于0.015°的范圍內(nèi)呈現(xiàn)一定的波動性。

3)頂部覆土分層回填開始，相對轉(zhuǎn)角呈緩慢增大趨勢，最大值為0.046°。

4)水位恢復(fù)之后，到數(shù)據(jù)采集截止長達(dá)4個月的時間內(nèi)，相對轉(zhuǎn)角值呈現(xiàn)階梯緩慢下降趨勢，到本次數(shù)據(jù)截止點，相對轉(zhuǎn)角值下降到0.001 1°。

S1代表肥槽回填； S2代表頂部分層回填； S3代表局部恢復(fù)路面+底板澆筑； S4代表水位恢復(fù)； S5代表中板澆筑。

圖11示出拱頂接頭背水面相對變形量(圖9中B)隨時間變化曲線，裂縫計所在測試環(huán)由于未受后期裝修擾動影響，數(shù)據(jù)采集至今。可以看出：

1)同相對轉(zhuǎn)角初始變化一樣，相對變形量由于大型構(gòu)件落拱結(jié)構(gòu)成環(huán)剛開始的自適應(yīng)變形和儀器初采對擾動的高敏感性，初始值較大，為0.7 mm，隨著新拼接結(jié)構(gòu)自適應(yīng)穩(wěn)定，相對變形量隨時間表現(xiàn)出下降趨勢。

2)肥槽回填開始后，相對變形量在0.4～0.5 mm波動。

3)頂部覆土分層回填后到水位恢復(fù)，再到中板澆筑，相對變形量呈現(xiàn)波動性穩(wěn)定，回填開始后的前10 d波動較大，這10 d內(nèi)完成了頂部覆土3層回填施工，隨后波動變小，最后穩(wěn)定在0.36 mm附近。

4)中板澆筑后相對變形量呈現(xiàn)波動性下降，與圖10的趨勢一致。

5)靠近測試環(huán)的南邊出入口開挖后，由于開挖擾動，相對變形量呈波動性回升趨勢，最后穩(wěn)定在0.32 mm左右。

S1代表肥槽回填； S2代表頂部分層回填； S3代表局部恢復(fù)路面+底板澆筑； S4代表水位恢復(fù)； S5代表中板澆筑； S6代表東北出入口開挖； S7代表西南出入口開挖； S8代表東南出入口開挖； S9代表西北出入口開挖； S10代表設(shè)備用房建造。

4 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值計算對比分析

4.1 數(shù)值計算模型

本文數(shù)值計算模型建立在前期研究成果得以驗證的模型和參數(shù)基礎(chǔ)上[9, 11-12]，利用Midas GTS NX建立提煉出施工階段模型。土體彈性抗力采用地基彈簧模擬，僅為受壓彈簧；接頭采用梁-彈簧單元模擬；肥槽回填混凝土及基坑圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)均采用梁單元模擬；圍護(hù)樁-肥槽回填混凝土-裝配式襯砌之間的相互作用按僅受壓彈簧模擬，彈簧剛度按實際受壓面積的材料變形特性取值。車站覆土埋深3.5 m，土層從上到下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖，底板落在強(qiáng)風(fēng)化泥巖中。

由于注漿式榫槽接頭為變剛度接頭，為獲得穩(wěn)定的、與接頭軸力和彎矩相匹配的接頭剛度值，通過多次結(jié)構(gòu)計算進(jìn)行接頭剛度迭代(見圖12(a))，以準(zhǔn)確獲得施工階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形值[12]。迭代步驟為： 1)按照剛性接頭轉(zhuǎn)角剛度計算求得第1次結(jié)構(gòu)彎矩和軸力之后，求得對應(yīng)轉(zhuǎn)動剛度值； 2)將該轉(zhuǎn)動剛度值作為第2次計算剛度值，代入結(jié)構(gòu)計算中，求得第2次結(jié)構(gòu)彎矩和軸力，再次求得相應(yīng)內(nèi)力下對應(yīng)轉(zhuǎn)動剛度值； 3)如此循環(huán)迭代，最終獲得穩(wěn)定的內(nèi)力和剛度匹配數(shù)據(jù)。圖12(b)示出最終趨于穩(wěn)定的接頭剛度多次迭代計算結(jié)果。

(a) 接頭剛度迭代計算路線[10]

(b) 剛度迭代調(diào)整計算結(jié)果

二維荷載-結(jié)構(gòu)模型按裝配式結(jié)構(gòu)1環(huán)的寬度(2 m)作為單位結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)單元按照實際工程采用的閉腔薄壁構(gòu)件，對應(yīng)有實心截面和空心截面，綠色為實心截面，其他顏色為閉腔薄壁空心截面，如圖13(a)所示。全環(huán)計算模型如圖13( b)所示。典型施工步序見圖13(c)—(e)。肥槽回填分為4層，圖13(d)為第1層肥槽回填。圖13(e)中4種顏色表示4層回填。

(a) 閉腔薄壁構(gòu)件細(xì)部展示

(b) 全環(huán)計算模型

(c) 拼裝成環(huán)步序

(d) 肥槽回填步序

(e) 水位恢復(fù)步序

4.2 對比結(jié)果

圖14示出拱頂接頭不同施工階段相對轉(zhuǎn)角現(xiàn)場測試與數(shù)值計算結(jié)果對比，其中數(shù)值計算結(jié)果為用于設(shè)計的最不利工況荷載組合。可以看出： 測試值與計算值趨勢一致，測試值被計算值包絡(luò)，相對轉(zhuǎn)角值從拼裝成環(huán)開始隨著施工進(jìn)程呈增大趨勢，測試值上升幅度比計算值小，到路面恢復(fù)+底板澆筑完成達(dá)到最大值，水位恢復(fù)之后恢復(fù)到較小值，測試值恢復(fù)幅度比計算值大。

圖14 拱頂接頭不同施工階段相對轉(zhuǎn)角現(xiàn)場測試與數(shù)值計算結(jié)果對比

5 結(jié)論與討論

本文基于前期接頭研究成果，依托現(xiàn)場長期原位監(jiān)測，對拱頂接頭隨施工進(jìn)程的力學(xué)和變形行為趨勢進(jìn)行分析，討論拱頂接頭在不同施工階段的力學(xué)和變形性能，得到以下結(jié)論。

1)頂部構(gòu)件落拱拼裝結(jié)構(gòu)成環(huán)剛開始，結(jié)構(gòu)有一段時間的自適應(yīng)期，接頭應(yīng)力和變形較大，隨后趨于穩(wěn)定；為避免拼裝開始新拼接結(jié)構(gòu)自適應(yīng)期擾動帶來的接頭磕碰危害，在施工拼裝中需避免接縫硬接觸，應(yīng)留足注漿縫寬，及時注漿，確保接頭限位和彌合。

2)覆土回填后，特別是水位恢復(fù)后，外荷載增加，接頭所受軸力增大，應(yīng)力和變形減小，注漿式榫槽接頭的變剛度和變承載能力優(yōu)勢得以發(fā)揮，軸力越大，接頭所能承受的荷載越大，接頭剛度越大，對接頭的變形和受力起到正向作用。

3)出入口開挖對其附近拼裝環(huán)的接頭有一定的擾動作用，隨著出入口開挖結(jié)束，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，擾動作用消失，接頭應(yīng)力和變形逐漸穩(wěn)定在一個較小的恒定值。

4)接頭應(yīng)力整體變化幅度不大，施工期間注漿式榫槽接頭的2個榫頭依靠彼此的咬合承擔(dān)外力，并表現(xiàn)出一拉一壓2種性質(zhì)，最終接頭應(yīng)力穩(wěn)定在較小的壓應(yīng)力狀態(tài)。

5)拱頂接頭整體變形較小，測試值小于數(shù)值計算值，按照計算值進(jìn)行設(shè)計的接頭具有較大的安全余量。