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预制装配式地铁车站单环结构受力变形特性分析

2024-01-04 108 上传者：管理员

摘要：为研究预制装配式地铁车站在地铁交通方面的安全使用,从而分析装配式结构的受力和变形,是研究装配式分块方案合理性的前提。针对青岛市某地铁线路预制装配式地铁车站,建立该车站单环结构实体单元模型,研究分析该单环结构的应力及变形情况。计算结果表明,采用该文的有限元模拟方法能够实现装配式车站单环结构受力变形的有效分析。在正常使用工况下,装配式结构的应力和变形都能满足要求。研究结果可为装配式地铁车站安全使用提供参考。

关键词：
单环结构
受力分析
变形分析
数值模拟
装配式地铁车站
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随着全国城市化进程的快速发展，人口的快速增长所导致的生活空间拥挤、交通线路堵塞、生存环境恶化等问题日益严重，这加快了城市地下空间工程开发利用的步伐，地下空间工程的开发与利用已成为城市现代化的主要标志。在我国，长春、青岛、广州和深圳等地区相继展开装配式地铁车站的研究和建设，至今已有多座车站建成并投入运营[1]。相较于传统整体现浇工艺的车站，局部预制装配式地铁车站因结构形式的变化导致结构的受力出现变化[2]。因而研究局部预制装配式结构的受力特点，是进行结构设计、保证结构安全的前提。杨秀仁等[3,4]通过研究装配式车站的连接节点特性，分析装配式车站不同的结构方案。丁鹏等[5]对比分析了预制装配式地铁车站单环结构在不同结构形式及支撑条件下结构的内力和变形特性。蒋盛钢等[6]通过研究不同连接节点模式对预制装配式地铁车站结构性能的影响，对比研究了不同铰接方案在不同荷载模式下的内力响应与结构变形。吴居洋等[7]研究了装配式结构分块的接头位置，比选了不同的结构分块方案。

以青岛市某地铁线路预制装配式地铁车站城子站为背景，运用有限元模拟软件，采用软件的实体单元和固接、铰接等约束条件，建立单环带有封闭空腔三维结构模型，研究局部预制装配式地铁车站标准环结构的的受力与变形。

1、工程概况

青岛市某地铁线路装配式地铁车站为地下二层岛式车站。车站有效站台宽13 m，车站总长210 m。标准段宽23.3 m，该车站为单拱大跨预制装配式地铁车站，该车站长210 m，轨面埋深约17.50 m，覆土厚度3.08～4.00 m，站台宽11 m。该车站结构纵向设置为2 m/环，预制构件标准环每环分为5块，块体分类为顶板A、侧墙-左B、侧墙-右C、底板D和中板E，其中底板D块属于现浇段，由于该装配式地铁车站属于局部预制结构，整个车站首先将底板全部现浇成一体，然后进行一环侧墙、中板、顶板拼装，当一环拼装完成后，进行下一环的拼装，环环类推，最终形成整个车站主体。预制构件环与环之间采用通缝拼装，各块之间也采用通缝拼装，为减轻结构自重，每块构件内部设置封闭式空腔，顶板与侧墙、侧墙与底板之间采用榫槽连接并加注固化浆液。该车站单环结构预制衬砌分块情况如图1所示。

图1 车站单环结构预制衬砌分块图

由于单环结构是整体结构的基础，单环结构的受力和变形情况决定了车站整体结构性能的优劣，基于此，本文重点对单环结构拼装成环后的受力与变形机理进行研究。

2、数值计算模型建立

本次模拟采用的计算模型是荷载-结构模型，该模型各分块均采用实体单元进行模拟，单环结构模型实体示意图如图2所示，各分块结构示意图如图3所示。

图2 单环结构模型实体示意图

图3 单环结构模型各分块结构示意图

2.1 属性、材料及主要参数

装配式块体中，顶板A、侧墙-左B、侧墙-右C和底板D均采用C50混凝土，中板E采用C45混凝土，材料参数见表1。

表1 结构材料、属性参数

2.2 边界及约束条件

将车站结构视为弹性地基上一次整体受力的框架进行内力分析，由于底板属于现浇施工，因此采用固接来模拟底板的边界约束；由于分块之间采用凹凸榫槽通过销位孔进行连接固定，因此用铰接约束模拟装配式分块之间的连接；由于该车站基坑与车站结构之间采用肥槽回填素混凝土，因此用固定约束来模拟该车站侧向边界，整体约束条件见表2，整体模型施加约束示意图如图4所示。

表2 边界及约束条件图

图4 单环结构模型施加约束示意图

2.3 荷载施加

根据GB 50157—2013《地铁设计规范》，考虑作用在地铁车站结构上的永久荷载和可变荷载。

1）结构自重：由有限元软件自动计算。

2）覆土荷载：上部覆土为素填土，重度γ=20 k N/m3，覆土厚度为4 m，荷载为4×20=80 k N/m2。

3）垫层混凝土荷载：其荷载近似简化为中部46.25 k N/m2；两端30 k N/m2。

4）可变荷载：人群荷载取4 k N/m2，设备荷载取8 k N/m2，地面超载取20 k N/m2。

该单环结构模型荷载施加示意图如图5所示，整体模型运行示意图如图6所示，榫槽连接节点位置A约束细部图如图7所示。

图5 单环结构模型荷载施加示意图

图6 单环结构整体模型运行示意图

图7 榫槽连接位置约束细部图

3、结构内力及变形特性分析

3.1 结构应力分析

根据结构特性，分别提取结构最大主应力、最小主应力及相对位置进行分析，现给出单环结构模型S-XX应力结果云图如图8所示。

图8 单环结构模型S-XX应力结果云图

该结构在X方向应力结果中出现应力集中，位置在中板两端与侧墙连接部位，应力从中板两侧向中间逐渐减小，其中最大拉应力出现在中板与侧墙连接部位上表面，约为18.6 MPa；最大压应力出现在中板与侧墙连接部位下表面，约为23.4 MPa。该装配式单环结构模型最大主应力均未超过规范限值[8](C50混凝土规范限值）。

单环结构模型S-YY应力结果云图如图9所示。

图9 单环结构模型S-YY应力结果云图

该结构在Y方向应力结果中同样出现应力集中，应力集中位置、最大拉应力与最大压应力位置与X方向应力一样。其中最大拉应力约为3.1 MPa，最大压应力约为4.3 MPa。

3.2 结构沉降位移分析

从该模型位移模拟结果中对总位移、横向位移、竖向位移均进行分析。

单环结构模型的结构总沉降位移云图如图10所示。

中板跨中位置向两侧逐渐减小，直至为0。侧墙与底板均没有位移变形，顶板有较小的位移变形，出现该现象的原因是底板属于现浇施工，侧墙与基坑之间的肥槽回填采用素混凝土施工，因此在有限元软件中均采用固定的边界约束来模拟实际施工条件。

单环结构模型横向位移TX结果云图如图11所示。

图1 0 单环结构模型总沉降位移结果云图

图1 1 单环结构模型横向位移结果TX

该结构横向位移在中板左侧部分上表面出现最大值隆起，在中板右侧上表面出现最大值沉降，隆起最大值约为1.14 mm，沉降最大值约为1.14 mm。顶板位置出现较小的沉降和隆起。

单环结构模型横向位移TY结果云图如图12所示。

图1 2 单环结构模型竖向位移结果TY

该结构竖向位移在中板跨中、两侧及顶板跨中位置均出现较大隆起，在中板跨中、两侧也出现较大沉降，隆起最大值约为0.06 mm，沉降最大值约为0.06 mm。

考虑车站净宽210 m，依据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中变形限制条件l/200=105 mm(l为计算跨度），结构的变形在允许范围内。

4、结论

针对青岛市某地铁线路预制装配式地铁车站工程，通过建立该车站单环结构三维模型，运用有限元软件进行数值模拟，研究分析单环结构在正常使用荷载作用下的应力和变形，得到以下几条结论。

1）该车站单环结构模型应力结果总是在中板与侧墙连接节点位置出现应力集中，最大拉、压应力也在此处。

2）该车站单环结构模型位移结果总是在中板出现最大沉降与隆起值。

3）无论是应力结果还是位移结果，都在规范允许范围内，满足要求，验证了该装配式车站单环结构的安全性与稳定性。

参考文献:

[1]杨秀仁.我国预制装配式地铁车站建造技术发展现状与展望[J].隧道建设(中英文),2021,41(11):1849-1870.

[2]吴成刚,李孟廷,彭智勇.深圳地铁16号线装配式车站结构断面选型分析[J].隧道建设(中英文),2022,42(S2):322-327.

[3]杨秀仁,黄美群,林放.地铁车站预制装配式结构注浆式榫槽接头弯曲抵抗作用特性研究[J].土木工程学报,2020,53(2):33-40.

[4]杨秀仁,林放,黄美群.地铁车站预制装配式结构注浆式单榫接头抗弯刚度试验研究[J].土木工程学报,2020,53(3):38-43.

[5]丁鹏,陶连金,杨秀仁,等.预制装配式地铁车站单环结构传力与变形机理[J].西南交通大学学报,2020,55(5):1076-1084,1110.

[6]蒋盛钢,麦家儿,何冠鸿,等.预制装配式地铁车站结构连接节点模式对结构性能的影响研究[J].建筑结构,2022,52(S1):1711-1718.

[7]吴居洋,王冉.新型装配式地铁车站结构断面方案设计及可行性分析[J].国防交通工程与技术,2021,19(6):64-67.

[8]中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范:GB 50010-2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

基金资助:山东省自然科学基金项目(ZR2019MEE027);中铁三局集团有限公司科研项目(K220601);

文章来源:王有权.预制装配式地铁车站单环结构受力变形特性分析[J].科技创新与应用,2024,14(01):129-132+137.

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