预制装配式地铁车站整体结构受力变形特性分析

预制装配式地铁车站作为一种新型建筑形式，其受力性能和变形特性与传统的现浇结构存在显著差异。文章以青岛市某预制装配式地铁车站为例，建立该车站整体结构实体单元模型，赋予该车站整体结构在实际施工情况下的材料及属性，从而研究分析该车站整体结构的应力及变形情况。

             

01

工程概况          

青岛市某装配式地铁车站位于正阳中路，沿正阳中路东西向敷设，为地下二层岛式车站，有效站台宽 13m ，车站总长 210m 。标准段宽 23.3m ，车站沿正阳中路设 3 个出入口、 1 个紧急疏散口及 2 组风亭。车站采用明挖法施工，基坑深度约 18 ～ 20m 。围护结构采用围护桩、内支撑与等厚度水泥土地下连续墙工法止水帷幕相结合的支护型式。       

该车站为单拱大跨预制装配式地铁车站，车站长 210m ，轨面埋深约 17.5m ，覆土厚度 3.08 ～  4m ，站台宽 11m ，为地下 2 层有柱拱顶标准站。该车站结构纵向设置为 2m/ 环，预制构件标准环每环分为 5 块，块体分类为顶板、侧墙 - 左、侧墙 - 右、底板、中板，其中底板块属于现浇段。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、中板和顶板拼装，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。      

02

数值计算模型建立          

     

本次模拟采用荷载 - 结构模型，该模型各部分均采用实体单元进行模拟，该车站整体结构模型透视示意图如图 2 所示。该模型采用混合网格生成器进行网格划分，共划分为   280704 个单元。       

2.1  属性、材料及主要参数              

装配式车站整体结构中，顶板、侧墙 - 左、侧墙右、底板均采用 C45 混凝土，中板采用 C35 混凝土，中柱采用 C50 混凝土，材料参数如表 1 所示。      

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，因此采用固定约束来模拟该车站侧向边界。       

2.3  荷载施加      

根据《地铁设计规范》（ GB 50157-2013 ），考虑作用在地铁车站结构上的永久荷载和可变荷载，由现场资料得到车站结构上部覆土厚度为 4m ，荷载设置如下。       

（ 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  = 20kN/m ³ ，覆土厚度为 4m ，荷载为 4 × 20 = 80kN/m 。       

（ 3 ）垫层混凝土荷载：最底层上方有垫层混凝土， 其荷载近似简化为：中部 25kN/m ³ × 1.85m = 46.25kN/m ² ，两端   25kN/m ³ × 1.2 m = 30kN/m ² 。                 

（ 4 ）可变荷载：人群荷载取 4kN/m ² ，设备荷载取 8kN/m ² ，地面超载取 20kN/m ² 。      

03

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，其中最大主应力可以判断为结构沿受力方向的最大受拉位置，最小主应力可以判断为结构沿受力方向的最大受压位置，整体结构模型水平和竖向应力结果云图分别如图 3 、图 4 所示。      

     

由图 3 可知，整体结构模型水平最大拉应力位于中板与侧墙连接位置，最大拉应力值约为 4.1MPa ；最大压应力位于中板左侧中间位置，最大压应力值约为 5.0MPa 。由图 4 可知，整体结构竖向最大拉应力位于中板与侧墙连接位置，最大拉应力值约为 0.8MPa ；最大压应力位于顶板中部位置，最大压应力值约为 1.4MPa 。       

     

中柱结构应力结果云图如图 5 所示。由图可知，中柱结构最大拉应力位于中柱上端，最大拉应力值约为 5.08 × 10 ^{- 5}  MPa ；最大压应力位于中柱底端，最大压应力值约为 6.35 × 10 ^{- 5}  MPa 。      

     

根据《混凝土结构设计规范》（ GB 50010-2010 ）中的限值要求（ C50 混凝土规范限值），该结构模型的应力均在限制范围内，从而验证了该装配式车站整体结构的安全性。 
     

     

3.2  结构沉降位移分析      

该整体结构模型的结构总沉降位移云图如图 6 所示。由图可知，该结构在顶板出现较大隆起，由顶板   中部向两侧逐渐减小，最大隆起位于顶板中部，约为 3.2mm 。侧墙与底板均未发生位移变形，出现该现象的原因为：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，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，因此侧墙与底板几乎无变形。      

     

该整体结构模型水平位移结果云图如图 7 所示。由图可知，结构横向位移在顶板左侧出现最大隆起，隆起最大值约为 0.36mm ；在顶板右侧出现最大沉降，沉降最大值约为 0.37mm 。       

     

该整体结构模型竖向位移结果云图如图 8 所示。由图可知，结构竖向位移只在整个顶板的前端出现较大隆起，隆起最大值约为 0.18mm ；只在整个顶板的后端出现较大沉降，沉降最大值约为 0.18mm 。 

     

中柱结构位移结果云图如图 9 所示。由图可知，该结构中柱在中部出现最大变形，由中部向两端逐渐减小，最大变形值约为 0.004mm 。      

     

考虑车站净长为 210m ，依据《混凝土结构设计规范》（ GB 50010-2010 ）中变形限制条件   l /200 = 105mm （ l  为计算跨度），结构的变形在允许范围内 ，从而进一步验证了该装配式车站整体结构的安全性。       

04

结 论          

     

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

（ 1 ）通过模拟结果分析，该整体结构在顶板出现较大隆起，由顶板中部向两侧逐渐减小，最大值出现在顶板中部。                

（ 2 ）通过模拟结果分析，中板与左侧墙连接位置总会出现应力集中，但数值不大，在安全允许范围内。                 

（ 3 ）通过建立装配式地铁车站整体结构实体单元模型，研究分析整体结构在正常使用荷载工况下的变形和应力，验证了该装配式车站整体结构的安全性。         

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