內支撐體系下的裝配式地鐵車站輕量化設計

李良生 吳居洋

傳統現澆法施工地鐵車站需現場綁扎鋼筋和澆筑混凝土，施工期間勞動力需求大、現場作業條件差、施工質量難以保證、對周邊環境影響大。為克服現澆法施工車站的弊端，提高地鐵車站施工的工業化水平，助力建筑行業實現“碳達峰”和“碳中和”目標，深圳地鐵3號線四期坪西站在國內首次采用干式剛性連接的全預制裝配式車站。為進一步提高裝配式車站施工的便利性，節省混凝土用量，減輕預制構件重量，降低車站生產過程中的碳排放量，對預制構件進行了輕量化設計。

一、工程概況

坪西站總長度為222m，其中預制裝配段總長162m，為拱形無柱結構。裝配式結構斷面每環分為9塊預制構件，單環縱向寬度為2m，環內預制構件采用C-H-C型鋼接頭連接，環間縱向采用新型的球頭柔性連接鎖連接，如圖1所示。

圖1 裝配式車站結構斷面示意圖

二、初始結構計算

1. 結構有限元模型

建立主體結構有限元幾何實體模型。對于接頭部位，建立C-H-C連接件有限元實體模型，采用H型鋼與C型鋼節點耦合來實現C-H-C接頭力的傳遞?；炷梁虲-H-C均采用SOLID95單元。不同構件塊之間接觸面采用CONTAC174接觸單元連接。為模擬地基對結構的作用，采用SURF154單元，單元剛度為77 MPa/m。混凝土材料為C50；C-H-C接頭鋼材的楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3。

2. 初始結構計算結果

計算考慮車站頂部覆土4m，地面超載20kPa，中間層荷載20kPa。土側壓力系數0.5?？紤]高水位和低水位兩種荷載工況。

在高水位荷載作用下：結構下部側墻沿X方向向外張開，最大位移位于BC塊構件連接處，約為6.3mm；沿Y方向，最大變形發生在底部構件的跨中部位，約為25mm；頂部構件變形約10 mm。

在低水位荷載作用下：結構側墻整體沿X方向向兩側張開（側移），最大位移達5 mm；同時，沿Y方向，頂部構件跨中最大變形為16 mm；底部結構變形接近0。

對比兩種荷載工況可知，在高水位工況下，由于兩側水土壓力荷載大，限制了結構頂部的側向變形，從而限制了結構頂部的豎向位移；但在高水位工況下，底部結構受水壓力作用會產生向上的變形。

三、輕量化設計影響分析

1. 不同壁厚研究

為便于構件運輸安裝，提高裝配效率，需對構件進行輕量化設計，在構件受力較小的位置設置空腔?？涨淮笮『涂涨婚g壁厚密切相關，如圖2所示，降低壁厚會降低結構構件的軸向剛度和抗彎剛度，對結構產生不利的影響，但同時會降低結構的自重，降低由自重引起的內力。

圖2 空腔壁厚平面示意圖

通過建立實體有限元模型，研究不同壁厚情況下裝配車站整體結構在不同荷載工況下的工作性能，空腔間壁厚布置方案如表1所示。

表1 空腔優化工況表

根據空腔優化工況，確定輕量化設計影響的研究內容和目標如下：

（1）研究壁厚降低對結構整體變形的影響，分析縱向壁厚和面內變形特征和變形規律；

（2）研究車站標準斷面在不同面內空腔壁厚和縱向空腔壁厚下的應力整體分布特征，分析對結構關鍵構件和關鍵截面應力分布影響規律；

（3）根據在高水位和低水位荷載作用下各結構整體位移和各構件應力分布特征、應力幅值變化，給出裝配式結構各個構件的壁厚優化建議。

2. 壁厚變化對結構位移的影響

以頂部跨中位移為例，圖3給出了面內壁厚分別為初始壁厚1.0、0.9、0.8時結構沿X方向的收斂和沿Y方向的位移。由圖3可知，降低面內空腔壁厚會導致結構沿X方向和Y方向的位移變大。降低面內空腔壁厚使X方向的變形在高水位荷載作用下增大1.4 mm（21%）；荷載作用時可使Y方向上（高水位，底部）的變形增大2.5 mm（9%）；低水位時，壁厚降低至0.8，變形增大1.1 mm（9.7%）；可見，降低面內空腔壁厚會導致結構變形增大。

圖3 面內壁厚對裝配式結構整體變形的影響（頂部跨中位移）

以頂部跨中位移為例，圖4給出了改變縱向空腔壁厚時結構的形變變化。在低水位情況下，當縱向腔壁厚度由300 mm降低至200 mm時，結構X方向上的位移增大約為0.8 mm （26%），結構頂部跨中Y方向的變形增大2 mm（12%）。高水位情況下，降低壁厚導致結構X方向增大2.0 mm（28%），跨中底部Y方向位移增大3.5 mm（12%）。可見，增加縱向腔壁厚度可降低結構在X方向和Y方向上的變形。

圖4 縱向壁厚對裝配式結構整體變形的影響（頂部跨中位移）

3. 壁厚變化對構件受力的影響

以形狀較復雜的C塊構件為例，研究構件壁厚改變對構件應力變化的影響。其余構件的研究思路及研究結論與C塊類似。

圖5分別給出了面內壁厚改變時C塊構件在低水位荷載作用下沿X方向上的應力分布。由圖5可知，C塊構件中X方向最大壓應力約為10 MPa，最大拉應力約為6 MPa。在C塊構件與D塊構件連接處出現應力集中，主要是由于其接近直角的幾何形狀所致；此外，在C-H-C接口處應力集中現象也比較明顯。壁厚降低，最大應力幅值基本不變。在高水位工況下，壁厚改變引起的構件應力分布變化規律類似。

圖5 面內壁厚對構件C在X方向應力的影響（低水位，壁厚/初始壁厚=0.8）

圖6給出了縱向壁厚改變時C塊構件在低水位荷載作用下沿X方向上的應力分布。由圖6可知，低水位荷載作用下，構件C在X方向上的最大拉應力約為6 MPa，Y方向壓應力約為10 MPa （C-H-C附近）。低水位荷載作用下比高水位荷載作用下的壓應力降低2 MPa。對比發現，壁厚變化時，最大應力幅值基本保持不變，分布影響較小。在高水位工況下，壁厚改變引起的構件應力分布變化規律類似。

圖6 縱向壁厚對構件C在X方向應力的影響（低水位，縱向壁厚=250 mm）

四、應用情況

根據前述研究結果，確定裝配式車站預制構件面內空腔壁厚為250mm，縱向空腔壁厚為300mm，空腔可采用發泡混凝土、內置木模、輕質泡沫等方式實現。同時根據構件應力分布情況，對應力集中部位進行局部加強構造鋼筋布置。相關研究成果應用于深圳地鐵3號線四期坪西站。通過設置空腔進行輕量化設計，坪西站每塊預制構件重量降低15%～22%，最大預制構件F塊重量僅為49.18t，提高了預制構件吊裝、運輸、拼裝的靈活性和便利性。坪西站于2021年8月啟動預制構件生產，2022年9月完成車站預制裝配段拼裝，經過輕量化設計的空腔構件工作性能良好。

五、結語

經分析得出以下結論：

（1）高水位荷載作用下，結構底部、頂部跨中和側墻端部（結構四個角點附近）應力較大，結構底部構件跨中截面的上側受拉，下側受壓；上部構件則相反；低水位荷載情況下，結構頂部變形較高水位情況大，兩者之間的差值約在6 mm左右。與低水位荷載作用相比，高水位荷載作用下底部構件變形較大。

（2）降低面內空腔壁厚和縱向空腔壁厚不會改變結構關鍵截面位置，未發生新增局部孔壁應力集中現象。

（3）降低面內空腔壁厚會增大結構在X方向和Y方向上的變形，Y方向增大比例10%左右，X方向增大比例較大，在21%～28%。

（4）在本研究中，雖然空腔壁厚的降低未改變結構關鍵截面的位置，但是仍應配置充足的構造筋，限制構件中裂縫的出現，使構件受力均勻。同時，壁厚降低引起應力增加，需要增加配筋。

本文對裝配式車站預制構件進行輕量化設計，在保證預制構件工作性能的同時，能有效節省混凝土材料用量，減輕預制構件重量，提高裝配式車站施工的便利性。研究結果在深圳地鐵3號線四期坪西站的成功應用，為后續同類工程的實施提供了有益參考。