邹振兴

福州地铁集团有限公司

摘 要：以某地下工程为例，利用有限元软件建立模型，分析了地震作用下装配式轨顶风道、楼梯、站台的力学性能变化，得到地震荷载作用下地铁车站中预制二次构件应力集中现象多出现于螺栓洞口、拼接接触面位置，以及预制二次构件不会先于地铁车站主体破坏等结论，可为轨道交通地下车站装配式二次结构的设计和施工提供参考。

关键词：二次结构;抗震性能分析;装配式;数值模拟;

作者简介：邹振兴（1988—），男，福建福州人，硕士，工程师，研究方向为工程项目管理。;

0 引言

随着交通基础设施建设产业的升级，预制装配技术将成为主要的发展方向[1,2]，并在铁道建设工程中得到广泛应用。然而，相较于地上建筑结构装配式施工，地下工程结构预制装配技术理论与设计方法都不够完善。

采用预制构件可以提高地铁工程施工的工业化程度，尤其是能明显改善地铁工程的施工环境[3,4,5]。虽然国内已开展了地铁车站装配式结构相关的研究和实践，但对车站内二次结构的预制装配构件研究还处于起步阶段，如地铁风道预制技术，国内外地铁均无中板与下挂梁全预制的风道先例可循。另外，地铁车站楼梯、站台方面的实践亦较为少见。

本文将结合有限元软件，对车站二次结构采用预制装配式构件进行研究，分析地震荷载作用下预制装配式结构抗震性能的薄弱点，找到预制二次构件的易损部位，为地下车站装配式二次结构设计和施工提供参考[6,7,8]。

1 地铁车站装配式二次结构工程概况

某轨道交通车站为地下2层岛式（局部3层），车站主体净长593.2m，标准段宽度为20.1m，车站设4个出入口、3个风亭和6个物业出入口，采用明挖顺做法施工，见图1。

该站轨顶风道、站台板、楼梯等二次构件均采用预制拼装技术进行施工。预制构件包括3部分：预制轨顶风道、预制站台板、预制楼梯。预制构件混凝土强度等级为C40，混凝土方量为379m³，其中预制轨顶风道87.1m³+57.7m³（RPC），预制站台板142.6m³+74m³（RPC），预制楼梯12.6m³+5m³（RPC）。

图1 轨道交通某车站平面布置图 下载原图

2 构件预制方案

2.1 预制轨顶风道方案

轨道风道预制范围为54.4m，采用标准风道，宽度为1m，材料选择C40混凝土、RPC混凝土，主体预埋f50无缝钢管，采用“吊杆+双螺母”连接方式，吊点为6个标准块，见图2。

2.2 预制站台板和楼梯方案

站台板预制范围为40.8m，采用标准站台（含1个扶梯坑），标准宽度为1.77/1.855m，地板顶预留限位槽，支座采用限位槽、块间采用2/3个螺栓连接；楼梯位于12～14轴，尺寸为0.3m×2.1m，预制块之间采用通胀螺栓连接固定，见图3。

图2 预制轨顶风道方案（单位：cm) 下载原图

图3 预制站台板和楼梯方案（单位：cm) 下载原图

3 装配式构件模型解析

装配式轨顶风道采用预制钢筋混凝土构件进行拼装，悬挂于车站中板和结构侧墙交接位置；轨顶风道包含112件拼装构件。楼梯包含4件拼装构件；站台板采用门式预制钢筋混凝土构件进行拼装，包含96件拼装构件。构件的数值模型见图4。另外，预制二次结构（轨顶风道、楼梯、站台板）构件混凝土等级为C40，保护层厚度为30mm，配筋如表1所示，材料参数如表2所示。构件采用实体单元模拟，钢筋采用可与实体网格自动耦合的钢筋单元，考虑垫块、螺母、混凝土之间的接触，钢材间界面摩擦因子取0.45，混凝土与钢材界面摩擦因子取0.60，且钢材与混凝土体界面考虑黏结滑移特性。为分析运营期轨顶风道、楼梯、站台板的力学性能，施加1.2kN/m²的风压荷载、2kN/m²的内部检修荷载于装配式轨顶风道、站台板，施加4kN/m²的人群荷载于楼梯。

图4 研究构件数值模型 下载原图

表1 预制部件配筋表 下载原图

表2 材料参数表 下载原图

4 抗震性能分析

4.1 时程分析法

对某轨道交通车站中的预制二次结构（轨顶风道、楼梯、站台）进行抗震性能分析，对构件模型施加地震加速度，采用时程分析法分析。地震波波形如图5所示。

图5 地震波波形图 下载原图

4.2 地震作用下预制轨顶风道变形情况

图6、图7分别为地震作用下装配式轨顶风道水平、竖向变形图。图8为轨顶风道应力分布图。从图6可见，最大水平变形（0.02mm）位于风道高墙底部位置，变形由高墙底部向上侧逐渐递减呈带状分布。图7为地震作用下装配式轨顶风道竖向变形图。由图7可见，最大竖向变形（-0.008mm）位于风道底部位置，变形程度由底板向两侧高低墙逐渐递减。预制风道在地震作用下变形较小，且变形分布均匀。由图8可见，轨顶风道受拉应力作用，应力呈对称分布且自中间向两侧递减，最大拉应力为1.45MPa，小于所采用混凝土的抗拉强度。另外，钢管灌浆连接处和拼接接触面应力较大、出现应力集中现象，最大拉应力位于钢管灌浆连接边缘位置。因此，地震对装配式轨顶风道力学性能影响较小，可以满足使用安全要求。

图6 水平变形 下载原图

图7 竖向变形 下载原图

4.3 地震作用下预制楼梯变形情况

图9、图10分别为地震作用下装配式楼梯水平变形、竖向变形图。由图9可见，预制楼梯最大水平变形（-0.112mm）出现在楼梯板跨中位置，变形程度由梯段跨中向两侧逐渐递减。由图10可见，最大竖向变形（0.2mm）出现在楼梯板跨中位置，变形程度由梯段跨中向两侧逐渐递减。预制楼梯在地震作用下变形较小，且变形分布较为均匀。另外，楼梯跨中和连接处应力较大，出现应力集中，最大拉应力位于上跨跨中，但远小于所采用混凝土的抗拉强度。钢筋螺栓最大应力位于螺栓中部，远小于螺栓抗拉强度。灌浆料所受拉应力较小，底部拉应力最大，但仍低于C40级灌浆料抗拉强度。因此，地震对装配式楼梯力学性能的影响较小，可以满足使用安全要求。

图8 轨顶风道应力分布图 下载原图

图9 水平变形 下载原图

图1 0 竖向变形 下载原图

4.4 地震作用下预制站台变形图

图11、图12分别为地震作用下装配式站台的水平变形、竖向变化图。由图11可见，预制站台板最大水平变形（1.30×10-6mm）位于门式构件承托位置，变形程度由预制站台顶部向底部逐渐递减。由图12可见，最大竖向变形（6×10-6mm）位于站台板跨中位置，变形由站台板跨中向两侧逐渐递减呈带状分布。预制站台在地震作用下变形较小，且变形分布均匀。另外，站台板跨中和连接处应力较大，出现应力集中，最大拉应力位于连接处，但远小于所采用混凝土的抗拉强度和螺栓抗拉强度。因此，地震对装配式站台板力学性能影响较小，可以满足使用安全要求。

图1 1 水平变形 下载原图

图1 2 竖向变形 下载原图

5 结论

(1）地震荷载作用下，地铁车站中预制二次构件应力集中现象多出现于螺栓洞口、拼接接触面位置，预制轨顶风道、预制楼梯、预制站台的应力最大值均小于C40混凝土的屈服强度。

(2）预制结构连接中所使用的螺栓、灌浆料应力值均远小于其屈服强度，预制构件连接节点在地震作用下不会因地震荷载作用而破坏。

(3）根据本节所建模型计算结果可知，在地震荷载作用下预制二次构件不会先于地铁车站主体破坏。

参考文献

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[2] DAL LAGO B. Experimental and numerical assessment of the service behaviour of an innovative long-span precast roof element[J]. International Journal of Concrete Structures and Materials, 2017, 11(2):261-273.

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