Source: 空装配过程中的重叠
预制车站出入口预制环形框架结构沿车站纵向受力分析
为了研究预制站出入口预制环框结构的受力情况，为出入口环框的设计提供理论依据，首先分析了预制站预制环框从施工到使用的不同加载方式。其次，采用有限元计算方法，研究了环形框架结构从施工安装阶段、覆土回填阶段到出入口施工完成阶段的力学特性。然后指出，预制环框结构与屋盖结构之间的榫卯槽在接缝灌浆完成后将沿车站纵向形成一个整体，对环框有利。同时，预制环形框架结构与屋盖形成整体后，可共同抵抗覆土阶段和长期使用阶段的各种荷载，可满足装配式车站拼装施工和后期车站结构整体受力要求。最后，提出了采用临时钢支撑的安全储备措施，并对结构应力进行了校核，以确保出入口环连续组装的安全性和可靠性。
关键词:拼装站；出入口环形框架预制构件；结构的机械性能；负载模式；有限元计算方法；增量方法
0.介绍
近年来，装配式地铁车站施工技术在我国发展迅速。杨秀仁等人对装配式地铁车站存在的问题进行了系统的研究和分析。出入口环形框架结构是预制车站的重要组成部分。本发明可以实现预制站场结构的连续组装，提高组装效率。预制环形框架结构在拼装过程中，工况多，受力复杂。因此，有必要对预制环形框架结构沿车站纵向的受力特性进行分析。了解预制环框结构从施工到使用过程中的受力状态及其变化规律，是实现预制站连续快速组装、确保施工安全的重要基础。
目前，对地铁车站附属界面力学行为的研究大多针对现浇车站和暗挖车站。郭正伟等。以明挖现浇地铁车站与风道接口的结构设计为研究对象，结合相关理论和实际工程设计经验，从结构布置和抗浮角度进行了分析和探讨。刘通过对一典型明挖现浇地铁车站的三维数值计算，得到了车站主体结构在开洞前后的内力结果，总结了板墙开洞引起的主体结构内力变化规律。何毅武等采用有限元数值分析模型，研究地下暗挖车站大断面拱部辅助接口的开度影响。
然而，对装配式地铁车站附属结构的研究还很少。同时，预制车站的拼装技术不同于现浇车站和暗挖车站，具有不同的结构形式和不同的荷载模式。因此，装配式车站附属界面的力学特性明显不同于现浇车站和暗挖车站。以深圳地铁某装配式车站为工程背景，在杨秀仁和丁鹏装配式车站研究成果的基础上，对装配式车站出入口环形框架结构进行了研究，分析了环形框架结构从施工到使用的受力模式和边界条件、环形框架结构与屋面构件的接缝灌浆、对环形框架结构承载力的影响以及不同工况下环形框架结构的受力状态。通过对装配式地铁车站出入口环型框架受力特性的研究，以期为装配式地铁车站环型框架的后续设计提供可借鉴的经验和方法。
1.装配式车站概况
1.1站段类型
装配式车站的分段结构采用无柱站厅、有柱站台、直墙拱顶的结构形式，总宽22.3m，总高17.35m，车站分段分块:1块顶板、2块侧墙、1块中板、1块底板，站台层设置预制中梁和中柱。装配式车站结构的横截面如图1所示。
1.2出入口环形框架设计方案
1.2.1环形框架结构设计
预制地铁车站附属接口的开启方式与盾构隧道管片不同。隧道预制管片主要切割成混凝土管片或去除部分钢管片形成侧向开口。
预制地铁站为大跨度拱形断面。如果切割预制构件，开洞宽度较大，需要连续开洞，跨度为8m，对车站拱顶结构的受力有显著影响，会导致结构的应力集中和过大变形，造成结构体系的不稳定。此外，在实际施工中，切割或拆除预制构件的风险较大，拆除过程中需要搭设大量临时支撑。车站结构截面大，层高高，增加了构件拆除的风险。为避免装配式地铁车站后期开通出现上述问题，装配式地铁车站采用特殊预制环型框架结构，满足车站出入口的功能要求。
采用预制环形框架后，合理确定环形框架结构的高度、与顶板和侧墙的连接位置和连接方式，使出入口区域的屋面结构与标准段的屋面构件一致，出入口段只需设置较短的侧墙结构，以配合出入口环形框架的设计。通过设置出入口环形框架，可以实现装配式车站构件组装的连续性，避免后期切割出入口位置，提高施工效率，降低施工风险。
车站预制单环宽2m，出站口采用预制环框结构。出入口环形框架的设计应满足出入口结构和管道布置的要求。环形框架结构的设计参数由环形框架的顶梁和底梁的高度、建筑净高空和单个环形构件的环宽模数决定。出入口预制环框总宽8m，净宽7，高5.1m。组装好的站出口环形框架示意图如图2所示。
预制环形框架结构通过设置竖向榫卯槽和张拉装置与上部拱顶预制构件和下部侧墙预制构件竖向连接。竖向凹凸榫可以实现预制构件的快速组装，同时可以有效传递施工和使用过程中的荷载。在接缝灌浆之前，通过环形框架结构与屋顶和短侧墙的垂直连接来确保结构的稳定性。接缝灌浆完成后，环形框架结构与屋面结构形成一个整体。
环形结构通过侧面的凹凸榫和侧壁张紧装置与前后相邻的标准环形侧壁构件连接，使环形框架和侧壁预制件在纵向上成为一个整体。同时施加预轴力压缩橡胶垫圈，并通过灌浆密封接缝，以保证环形框架结构与相邻预制构件之间接缝的防水性能。为保证纵向连续拼装更加稳定、顺利和安全，可采取临时措施，在环框内设置竖向钢支撑，使结构施工更加安全可靠。出入口预制环形框架结构如图3所示，其几何尺寸见表1。材料为C50混凝土，内置型钢。
1.2.2环形框架结构施工流程
环形结构的主要构造步骤如图4所示。从图中可以看出，环框结构连续拼装施工的顺序是:拼装所有底板-拼装环框结构前环侧壁和顶板-拼装环框结构范围下短侧壁-拼装环框结构-拼装环框结构范围底板-拼装环框结构上顶板-拼装环框结构后环侧壁和顶板。
2.环形框架结构的力学模型。
2.1环框舞台安装时的加载方式
装配式车站出入口段的主要施工步骤如下:
1)完成环形框架下部的底板构件和侧壁构件的组装；
2)在环框范围内组装预制环框构件和中板构件；
3)组装环框范围内的拱顶块，并对接缝进行灌浆；
4)组装车站剩余组装节段，车站屋顶覆土；
5)后期施工出入口现浇段，与出入口环框连接，完成出入口施工。
出入口环框主要承受吊装就位后的结构自重。此阶段环框结构通过周向榫卯槽和纵向榫卯槽与底侧壁和前环侧壁连接，环框底部的约束主要是竖向支撑。环形框架结构在邻近后续侧壁的位置处是自由表面。在这种状态下，依次吊装穹顶结构，此时穹顶结构的自重由环形框架结构承担。在这个过程中，荷载增量就是环形框架梁的自重和屋面的自重。环形框架结构在安装阶段的载荷模式如图5所示。
2.2覆土阶段的加载方式
预制拱顶构件组装完成后，整个车站结构形成一个封闭的环形截面。随后的侧墙和拱顶构件可以按照标准的环形步骤顺序进行组装，并且可以在组装好的环形结构上进行接缝灌浆。灌浆材料采用改性环氧灌浆，要求初粘性好，初凝期长，才能使接缝浇筑密实；同时，要求灌浆材料具有较高的粘结强度、胶体性能和抗老化性能。通过对接缝的灌浆处理，拱顶构件的纵向刚度在纵向受拉钢筋的预紧力作用下增大，构件不再是单一的松散结构；同时，构件组装和接缝灌浆完成后，其整体刚度增加，出入口环处的屋面结构受到前后屋面的约束。
此外，出入口环形框架结构与屋面及前后侧墙结构之间的连接，特别是环形框架结构与屋面构件之间通过凹凸榫及高强灌浆材料的连接，具有较强的咬合力和粘结力，环形框架结构与屋面构件之间沿车站纵向的抗滑移能力增强，将使环形框架结构与屋面构件形成一个整体，共同抵抗后续的外荷载。该结构的力学机理不同于仅由环框结构承担全部荷载的模式。先采用环形框架结构，后采用屋顶结构，通过有效连接形成整体共同承载。在这个过程中，荷载增量就是屋面和侧墙的水土压力。覆土阶段环框结构的荷载模式如图6所示。
2.3附属结构施工完成阶段的荷载模式
附属结构施工完成阶段主要包括环形框架出入口结构完成，以及出入口上层土回填。出入口环框应承受附着土回填造成的水土压力。考虑到出入口结构通过钢连接件与环形框架结构刚性连接，环形框架结构、屋面结构和出入口结构共同承担现阶段的外部水土压力。在此过程中，荷载增量为附属结构自重和区域水土压力q3。
2.4环形框架结构的应力模型分析
考虑到环形框架结构的边界约束、整体刚度和外荷载从施工过程到使用过程不断变化，结构计算采用增量法。以下是对这种计算模式的详细分析。
Q1，q2，q3代表有限元计算时作用在节点上的载荷压力的等效矢量。假设K1p为环框架梁边梁先完成接缝灌浆后的刚度矩阵，K2p代表环框架梁底梁的刚度矩阵，K3s和K3p分别代表环框架梁另一边梁完成接缝灌浆前后的矩阵刚度，K1v、K2v和K3v代表环框架梁边梁和底梁与附属结构连接后的矩阵刚度。K1、K2、K3分别代表情况1-3下环框架梁的顶梁的矩阵刚度，x1、x2、x3分别代表情况1-3下环框架梁的位移向量。三个阶段的有限元计算公式为:
可以得出结论，环框架梁在最终竣工阶段的总位移为:
x=x1+x2+x3
3.环形框架结构的应力分析
3.1计算模型
MIDAS/GTS是一个主要模拟岩土工程和隧道工程的三维有限元分析软件。通过激活该单元，可以有效地模拟施工阶段的应力和结构刚度的变化。利用MIDAS/GTS NX对环框结构的四个不同施工阶段进行了模拟，包括安装环框梁、组装屋面、填土、制作入口和填土。分析了环框梁结构的内力和变形特点，并分析了环框中临时竖向支撑对结构受力的影响，为设计方案提供了理论支持。
根据第2节描述的情况，建立了基于“荷载-结构”模式的三维有限元计算模型，如图7所示。圈梁的模型尺寸参考表1中的实际尺寸。环柱与环梁周边构件之间的连接采用旋转弹簧、轴向弹簧和剪切弹簧单元模拟。后续文献[1]选取接头刚度来模拟环形结构的应力。顶部荷载被认为是顶部被土壤覆盖的3m。
3.2计算结果
通过对预制环形框架结构在不同工况下的受力分析，预制环形框架的内力如表2所示。图8所示为回填无钢支撑情况下的环形框架结构的内力。计算结果表明，环框结构的主要受力构件是屋面梁结构，其跨中和承受弯矩较大；柱弯矩只存在于支座位置，沿柱自上而下迅速衰减。主要原因是环框结构的前后侧壁对其有很强的纵向约束。
如图9-图11所示，环形框架结构在不同施工条件下弯矩和位移的变化规律。结果表明，无临时竖向钢支撑方案时，环框架梁在自重条件下的弯矩较小。顶板条件下，顶板与环框架梁之间的接缝灌浆尚未完成，环框架梁单独承受顶板压力。此时，顶梁的跨中弯矩和环框架梁的支座弯矩增量分别为1273 kn·m和1206 kn·m。在顶板覆土回填的情况下，环框架梁与顶板已形成一个整体结构，两者共同承受结构自重和顶板顶部的水土压力。此时，环形框架梁顶梁的跨中弯矩和支座弯矩增量分别为397 kn·m和370 kn·m。入口和回填条件下，跨中弯矩和支座弯矩增量分别为75kN·m和70kN·m。
钢支撑方案下，钢支撑环形框架梁的顶梁在自重条件下的弯矩很小。顶板条件下，顶板与环框架梁之间的接缝灌浆尚未完成，环框架梁与钢支撑共同承受顶板荷载。此时，顶梁和环框架梁支座的弯矩增量分别为209 kn·m和227 kn·m。在屋面覆盖和回填的情况下，环框架梁、屋面和钢支撑共同承担结构自重和屋面顶部的水土压力。此时环框架梁顶梁和支座的弯矩增量为67kN·m，而在拆除钢支撑的情况下，弯矩增量为1093 kN·m和979 kN·m，在做入口和覆土回填时，跨中弯矩和支座弯矩增量分别为76kN·m和70kN·m。
通过以上内力变化分析可以看出，环框架梁与屋面形成整体后，后期荷载增量导致环框架梁的弯矩增量较小。出入口阶段竖向荷载的增加导致环框架梁弯矩的小幅增加。设置钢支撑避免了环框架梁作为独立结构承担施工过程中的全部荷载，环框架梁承担的荷载较小。对比有钢支撑和无钢支撑的方案，发现当采用屋盖且屋盖与环框架梁之间的接缝灌浆未完成时，环框架梁的跨中和支座处的最大弯矩分别为1397 kn·m和1326 kn·m；而在钢支撑方案下，环框架梁跨中和支座处的最大弯矩分别为226 kn·m和247 kn·m。
车站主体施工完成时，最大弯矩为293 kn·m和314 kn·m；在覆土回填的情况下；拆除钢支撑后，最大弯矩为1386 kn·m和1293 kn·m，弯矩有所增加。此时，环形框架梁与顶板已浇筑成一个整体，满足受力要求。可以看出，在环框架梁中设置钢支撑可以帮助环框架梁抵抗从屋顶传递来的荷载。可以看出，设置临时钢支撑措施可以使环框结构的受力更加合理。
4.结论和讨论。
通过对出入口环形框架结构在施工阶段和使用阶段的力学特性分析，可以得出以下结论:
(1)出入口环形框架结构主要受力阶段有三个:屋面施工阶段、榫槽灌浆覆盖屋面阶段、附属结构施工阶段。
(2)入口环框顶梁结构受力是整个环框的关键点，其跨中及支座弯矩较大。
(3)环框结构独立承受自重和施工阶段屋面的自重荷载。在这一阶段，环框结构的应力比较大，在后续工况下其内力略有增加。
(4)在环形框架内设置临时支撑，可以进一步减少施工阶段环形框架结构的独立承载时间，有效减小环形框架结构的内力和变形。
装配式车站出入口采用预制环形框架结构。环框与顶板通过企口灌浆形成整体结构后，在后续工况下共同抵抗各种荷载，可满足环框结构在连续拼装施工各阶段和出入口段长期使用的受力要求。下一阶段将结合环形框架结构的现场施工进行应力和变形监测。
