基于原位監(jiān)測的裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)拱頂接頭力學(xué)性能分析

林 放

(1. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 北京 100037； 2. 城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國家工程研究中心， 北京 100037)

0 引言

裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)具有安全、高質(zhì)、高效、綠色環(huán)保等顯著優(yōu)勢[1-3]。其中，預(yù)制構(gòu)件連接接頭是裝配式結(jié)構(gòu)的核心，其不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)和承載特性[4-5]，也關(guān)系到構(gòu)件制作工藝、施工拼裝工藝及結(jié)構(gòu)防水性能等[3]。綜合考慮裝配式地下結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，為充分發(fā)揮預(yù)制裝配技術(shù)工序簡捷、準(zhǔn)確定位、快速拼裝的優(yōu)勢，研發(fā)了注漿式榫槽接頭(見圖1)[3, 6-8]連接預(yù)制構(gòu)件，以實(shí)現(xiàn)裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)的快速拼裝[9]。

圖1 注漿式榫槽接頭示意圖

注漿式榫槽接頭采用“榫卯結(jié)構(gòu)”技術(shù)，并在榫頭和榫槽空隙內(nèi)填充高性能漿液，不僅能彌合接縫和有效傳遞應(yīng)力，還能限制榫槽和榫頭界面錯(cuò)位，強(qiáng)化連接。文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]通過一系列的試驗(yàn)研究和計(jì)算分析，已經(jīng)掌握了注漿式榫槽接頭這種非剛性接頭的承載特性，揭示的接頭變剛度和變承載能力特征[12-14]使得裝配式地下結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的承載能力和變形性能得以充分體現(xiàn)。

長春裝配式車站結(jié)構(gòu)采用注漿式榫槽接頭連接形式，其中，拱頂接頭連接最重的2塊預(yù)制構(gòu)件D和E(見圖2)。DE拱頂接頭為雙榫接頭，文獻(xiàn)[15]針對(duì)注漿式榫槽接頭的承載性能和剛度特征開展了一系列不同荷載工況、不同接頭型式的1∶1原型試驗(yàn)研究，揭示出雙榫接頭的2個(gè)榫頭表現(xiàn)出一拉一壓2種性質(zhì)，并獲得了雙榫接頭的變剛度特性[15]。另外，作為三鉸拱的重要組成元素，拱頂接頭的承載性能對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用。

為此，本文基于注漿式榫槽接頭試驗(yàn)研究成果和數(shù)值及理論分析研究成果，通過在長春地鐵裝配式車站開展的結(jié)構(gòu)長期原位監(jiān)控量測，對(duì)拱頂接頭進(jìn)行整個(gè)施工期的性能分析。裝配式車站的現(xiàn)場原位監(jiān)測在國內(nèi)外尚屬首次，裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)接頭在實(shí)際使用過程中的受力狀態(tài)尚無文獻(xiàn)可供參考。因此，基于施工階段監(jiān)測的拱頂接頭性能分析對(duì)裝配式地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大的實(shí)際指導(dǎo)意義。

圖2 裝配式地鐵車站單環(huán)結(jié)構(gòu)

1 拱頂接頭原位監(jiān)測方案

監(jiān)測車站全長187.6 m，其中現(xiàn)澆段位于車站兩端，總長為61. 6 m；預(yù)制裝配段位于車站中部，總長為126 m，沿車站縱向共布置63環(huán)，其中標(biāo)準(zhǔn)環(huán)為55環(huán)，出入口環(huán)為8環(huán)。測試環(huán)位于車站南部，如圖3所示。

圖3 測試環(huán)分布平面圖

自拱頂2塊預(yù)制構(gòu)件D、E落拱開始至今，覆土回填完成約22個(gè)月，包含施工期間的幾個(gè)關(guān)鍵步序： 肥槽回填、頂部分層回填、局部恢復(fù)路面+底板澆筑、水位恢復(fù)以及出入口開挖。7個(gè)接頭均布置有應(yīng)變計(jì)用于接頭內(nèi)力監(jiān)測，除AB接頭和BC接頭考慮到道床、站臺(tái)板等施作影響測縫計(jì)測量外，其余接頭布置有變形監(jiān)測裝置。

拱頂接頭布置有振弦式測斜儀、振弦式表面測縫計(jì)和振弦式應(yīng)變計(jì)(見圖4(a))，用于接頭全施工過程的性能監(jiān)測，通過監(jiān)測接頭變形和應(yīng)力進(jìn)行接頭性能研究。測斜儀(單軸傾角儀)BGK6150的標(biāo)準(zhǔn)量程為±10°，分辨力<10″，安裝在構(gòu)件接頭處外壁上，通過監(jiān)測接頭處2塊構(gòu)件的傾斜進(jìn)行接頭相對(duì)轉(zhuǎn)角的測量，相對(duì)轉(zhuǎn)角值為分裝于D、E構(gòu)件接頭處測斜儀所測角度之和。測縫計(jì)BGK4420的標(biāo)準(zhǔn)量程為100 mm，分辨力為0.025%F·S，安裝于接頭背水面?zhèn)?，用以監(jiān)測接縫的開合。測縫計(jì)和測斜儀現(xiàn)場布置見圖4(b)。應(yīng)變計(jì)BGK4200的標(biāo)準(zhǔn)量程為3 000 με，分辨力為0.035%F·S，埋設(shè)在接頭結(jié)構(gòu)內(nèi)，用以監(jiān)測混凝土應(yīng)變，應(yīng)變計(jì)現(xiàn)場布置見圖4(c)。

監(jiān)測傳感器包括預(yù)埋的應(yīng)變計(jì)以及表面安裝的測縫計(jì)和測斜儀，通過屏蔽通信線纜接入到現(xiàn)場采集儀中(BGK-Micro-40)，由采集儀定時(shí)采集傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在采集儀內(nèi)存中并將采集結(jié)果上傳到DTU設(shè)備，DTU設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后通過移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)傳送到云平臺(tái)，在云平臺(tái)完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、分析，并通過網(wǎng)頁和手機(jī)APP的形式展示數(shù)據(jù)分析結(jié)果給用戶。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 接縫應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

混凝土應(yīng)變計(jì)測試結(jié)果為微應(yīng)變，為了更加直觀地進(jìn)行分析，將其應(yīng)變都轉(zhuǎn)換為應(yīng)力來表示，混凝土的彈性模量取規(guī)范中C50混凝土的彈性模量3.45×104MPa。圖6—8為3個(gè)測試環(huán)測點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，3個(gè)測試環(huán)均位于車站設(shè)備用房區(qū)。由圖6—8可以看出：

1)靠近背水面測點(diǎn)(a和b)在D塊和E塊構(gòu)件拼接落拱成環(huán)開始(坐標(biāo)軸起點(diǎn)位置)，拉應(yīng)力增大。考慮原因?yàn)榇笮蜆?gòu)件D、E落拱之后組成為新的結(jié)構(gòu)，頂部新結(jié)構(gòu)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，在無周邊軸力支撐作用下，結(jié)構(gòu)背水面表現(xiàn)出受拉。

2)肥槽回填之后到頂部上覆土分層回填開始，所有測點(diǎn)呈現(xiàn)出拉應(yīng)力震蕩式緩慢增加。考慮原因?yàn)橛糜诩s束拱腳的絲杠在此階段陸續(xù)安裝，并且肥槽回填對(duì)頂部拱形構(gòu)件的拱腳約束作用分為混凝土硬化前和硬化后，肥槽回填混凝土硬化后約束作用更大。

3)隨著頂部分層回填，由于外部軸力的增大，所有測點(diǎn)拉應(yīng)力下降，除測試環(huán)1位于榫頭的E-a和E-c測點(diǎn)拉應(yīng)力下降到接近0位置外，其余測點(diǎn)均先后出現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)。局部恢復(fù)路面+底板澆筑約2個(gè)月后壓應(yīng)力略微減小，之后3個(gè)測試環(huán)的D-a或E-a位置測點(diǎn)逐漸恢復(fù)并穩(wěn)定在0附近的拉應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力值不超過0.4 MPa。

4)靠近測試環(huán)的西南和東南出入口開挖后，處于壓應(yīng)力狀態(tài)的b和c位置測點(diǎn)壓應(yīng)力逐漸減小，在南邊出入口開挖之后陸續(xù)進(jìn)入拉應(yīng)力狀態(tài)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在受拉側(cè)榫頭外側(cè)測點(diǎn)E-a位置，最大值為1.64 MPa，其余值不超過1.15 MPa。隨后，出入口開挖帶來的擾動(dòng)逐漸消失，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，所有測點(diǎn)拉應(yīng)力減小，朝壓應(yīng)力狀態(tài)發(fā)展，并最終穩(wěn)定在一個(gè)較小的壓應(yīng)力值。

5)從整個(gè)施工過程可以看出，接頭應(yīng)力整體變化幅度不大，應(yīng)力變化最大的是受拉側(cè)(背水面)榫頭壁a位置，其次是受壓側(cè)榫頭壁c位置，在出入口開挖完成之前，a、c分別代表拉、壓2種狀態(tài)，拱頂接頭的2個(gè)榫頭表現(xiàn)出一拉一壓2種性質(zhì)。在出入口開挖完成、設(shè)備用房施工完成之后,3個(gè)測試環(huán)基本都處于壓應(yīng)力狀態(tài)。

1)S1代表肥槽回填； S2代表頂部分層回填； S3代表局部恢復(fù)路面+底板澆筑； S4代表水位恢復(fù)； S5代表中板澆筑； S6代表東北出入口開挖； S7代表西南出入口開挖； S8代表東南出入口開挖； S9代表西北出入口開挖； S10代表設(shè)備用房建造。2)D-a、E-a、D-b、D-c、E-c表示位于接頭D/E塊構(gòu)件上應(yīng)變計(jì)a、b、c對(duì)應(yīng)測試結(jié)果值。

1)S1代表肥槽回填； S2代表頂部分層回填； S3代表局部恢復(fù)路面+底板澆筑； S4代表水位恢復(fù)； S5代表中板澆筑； S6代表東北出入口開挖； S7代表西南出入口開挖； S8代表東南出入口開挖； S9代表西北出入口開挖； S10代表設(shè)備用房建造。2)D-a、E-a、D-b、E-b、D-c、E-c表示位于接頭D/E塊構(gòu)件上應(yīng)變計(jì)a、b、c對(duì)應(yīng)測試結(jié)果值。

1)S1代表肥槽回填； S2代表頂部分層回填； S3代表局部恢復(fù)路面+底板澆筑； S4代表水位恢復(fù)； S5代表中板澆筑； S6代表東北出入口開挖； S7代表西南出入口開挖； S8代表東南出入口開挖； S9代表西北出入口開挖； S10代表設(shè)備用房建造。2)D-a、E-a、D-b、D-c、E-c表示位于接頭D/E塊構(gòu)件上應(yīng)變計(jì)a、b、c對(duì)應(yīng)測試結(jié)果值。

3 接縫變形結(jié)果分析

拱頂接頭整個(gè)施工階段在監(jiān)測面(背水面)表現(xiàn)出朝受拉側(cè)方向變形，變形姿態(tài)見圖9。接縫注漿段寬5 mm，即接頭兩端部非注漿段初始縫寬5 mm，整個(gè)建造受力過程中，接縫并未張開，注漿段仍保持良好的粘結(jié)，接頭背水面朝張開方向產(chǎn)生相對(duì)變形量，接頭迎水面朝壓縮方向產(chǎn)生相對(duì)變形量。

θ為接頭相對(duì)轉(zhuǎn)角; A為迎水面接頭相對(duì)變形量(受壓側(cè))； B為背水面接頭相對(duì)變形量(受拉側(cè))。

圖10示出接頭相對(duì)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化曲線，空白部分為施工擾動(dòng)帶來的數(shù)據(jù)缺失，監(jiān)測至S6出入口開挖前位于D塊上的測斜儀由于受裝修擾動(dòng)，致使傳感器線纜故障造成后續(xù)數(shù)據(jù)缺失，故接頭相對(duì)轉(zhuǎn)角監(jiān)測數(shù)據(jù)取值到S6出入口開挖前?？梢钥闯觯?/p>

1)接頭相對(duì)轉(zhuǎn)角在D塊和E塊構(gòu)件拼接落拱結(jié)構(gòu)成環(huán)剛開始，由于大型構(gòu)件落拱結(jié)構(gòu)成環(huán)自適應(yīng)變形和儀器初采對(duì)擾動(dòng)的高敏感性，初始值在0.027°，隨著新拼接結(jié)構(gòu)自適應(yīng)穩(wěn)定，相對(duì)轉(zhuǎn)角值隨時(shí)間表現(xiàn)為下降趨勢。

2)由于肥槽分層回填，相對(duì)轉(zhuǎn)角在小于0.015°的范圍內(nèi)呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性。

3)頂部覆土分層回填開始，相對(duì)轉(zhuǎn)角呈緩慢增大趨勢，最大值為0.046°。

4)水位恢復(fù)之后，到數(shù)據(jù)采集截止長達(dá)4個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，相對(duì)轉(zhuǎn)角值呈現(xiàn)階梯緩慢下降趨勢，到本次數(shù)據(jù)截止點(diǎn)，相對(duì)轉(zhuǎn)角值下降到0.001 1°。

S1代表肥槽回填； S2代表頂部分層回填； S3代表局部恢復(fù)路面+底板澆筑； S4代表水位恢復(fù)； S5代表中板澆筑。

圖11示出拱頂接頭背水面相對(duì)變形量(圖9中B)隨時(shí)間變化曲線，裂縫計(jì)所在測試環(huán)由于未受后期裝修擾動(dòng)影響，數(shù)據(jù)采集至今?？梢钥闯觯?/p>

1)同相對(duì)轉(zhuǎn)角初始變化一樣，相對(duì)變形量由于大型構(gòu)件落拱結(jié)構(gòu)成環(huán)剛開始的自適應(yīng)變形和儀器初采對(duì)擾動(dòng)的高敏感性，初始值較大，為0.7 mm，隨著新拼接結(jié)構(gòu)自適應(yīng)穩(wěn)定，相對(duì)變形量隨時(shí)間表現(xiàn)出下降趨勢。

2)肥槽回填開始后，相對(duì)變形量在0.4～0.5 mm波動(dòng)。

3)頂部覆土分層回填后到水位恢復(fù)，再到中板澆筑，相對(duì)變形量呈現(xiàn)波動(dòng)性穩(wěn)定，回填開始后的前10 d波動(dòng)較大，這10 d內(nèi)完成了頂部覆土3層回填施工，隨后波動(dòng)變小，最后穩(wěn)定在0.36 mm附近。

4)中板澆筑后相對(duì)變形量呈現(xiàn)波動(dòng)性下降，與圖10的趨勢一致。

5)靠近測試環(huán)的南邊出入口開挖后，由于開挖擾動(dòng)，相對(duì)變形量呈波動(dòng)性回升趨勢，最后穩(wěn)定在0.32 mm左右。

S1代表肥槽回填； S2代表頂部分層回填； S3代表局部恢復(fù)路面+底板澆筑； S4代表水位恢復(fù)； S5代表中板澆筑； S6代表東北出入口開挖； S7代表西南出入口開挖； S8代表東南出入口開挖； S9代表西北出入口開挖； S10代表設(shè)備用房建造。

4 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析

4.1 數(shù)值計(jì)算模型

本文數(shù)值計(jì)算模型建立在前期研究成果得以驗(yàn)證的模型和參數(shù)基礎(chǔ)上[9, 11-12]，利用Midas GTS NX建立提煉出施工階段模型。土體彈性抗力采用地基彈簧模擬，僅為受壓彈簧；接頭采用梁-彈簧單元模擬；肥槽回填混凝土及基坑圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)均采用梁單元模擬；圍護(hù)樁-肥槽回填混凝土-裝配式襯砌之間的相互作用按僅受壓彈簧模擬，彈簧剛度按實(shí)際受壓面積的材料變形特性取值。車站覆土埋深3.5 m，土層從上到下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖，底板落在強(qiáng)風(fēng)化泥巖中。

由于注漿式榫槽接頭為變剛度接頭，為獲得穩(wěn)定的、與接頭軸力和彎矩相匹配的接頭剛度值，通過多次結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行接頭剛度迭代(見圖12(a))，以準(zhǔn)確獲得施工階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形值[12]。迭代步驟為： 1)按照剛性接頭轉(zhuǎn)角剛度計(jì)算求得第1次結(jié)構(gòu)彎矩和軸力之后，求得對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度值； 2)將該轉(zhuǎn)動(dòng)剛度值作為第2次計(jì)算剛度值，代入結(jié)構(gòu)計(jì)算中，求得第2次結(jié)構(gòu)彎矩和軸力，再次求得相應(yīng)內(nèi)力下對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度值； 3)如此循環(huán)迭代，最終獲得穩(wěn)定的內(nèi)力和剛度匹配數(shù)據(jù)。圖12(b)示出最終趨于穩(wěn)定的接頭剛度多次迭代計(jì)算結(jié)果。

(a) 接頭剛度迭代計(jì)算路線[10]

(b) 剛度迭代調(diào)整計(jì)算結(jié)果

二維荷載-結(jié)構(gòu)模型按裝配式結(jié)構(gòu)1環(huán)的寬度(2 m)作為單位結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)單元按照實(shí)際工程采用的閉腔薄壁構(gòu)件，對(duì)應(yīng)有實(shí)心截面和空心截面，綠色為實(shí)心截面，其他顏色為閉腔薄壁空心截面，如圖13(a)所示。全環(huán)計(jì)算模型如圖13( b)所示。典型施工步序見圖13(c)—(e)。肥槽回填分為4層，圖13(d)為第1層肥槽回填。圖13(e)中4種顏色表示4層回填。

(a) 閉腔薄壁構(gòu)件細(xì)部展示

(b) 全環(huán)計(jì)算模型

(c) 拼裝成環(huán)步序

(d) 肥槽回填步序

(e) 水位恢復(fù)步序

4.2 對(duì)比結(jié)果

圖14示出拱頂接頭不同施工階段相對(duì)轉(zhuǎn)角現(xiàn)場測試與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比，其中數(shù)值計(jì)算結(jié)果為用于設(shè)計(jì)的最不利工況荷載組合?？梢钥闯觯?測試值與計(jì)算值趨勢一致，測試值被計(jì)算值包絡(luò)，相對(duì)轉(zhuǎn)角值從拼裝成環(huán)開始隨著施工進(jìn)程呈增大趨勢，測試值上升幅度比計(jì)算值小，到路面恢復(fù)+底板澆筑完成達(dá)到最大值，水位恢復(fù)之后恢復(fù)到較小值，測試值恢復(fù)幅度比計(jì)算值大。

圖14 拱頂接頭不同施工階段相對(duì)轉(zhuǎn)角現(xiàn)場測試與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論與討論

本文基于前期接頭研究成果，依托現(xiàn)場長期原位監(jiān)測，對(duì)拱頂接頭隨施工進(jìn)程的力學(xué)和變形行為趨勢進(jìn)行分析，討論拱頂接頭在不同施工階段的力學(xué)和變形性能，得到以下結(jié)論。

1)頂部構(gòu)件落拱拼裝結(jié)構(gòu)成環(huán)剛開始，結(jié)構(gòu)有一段時(shí)間的自適應(yīng)期，接頭應(yīng)力和變形較大，隨后趨于穩(wěn)定；為避免拼裝開始新拼接結(jié)構(gòu)自適應(yīng)期擾動(dòng)帶來的接頭磕碰危害，在施工拼裝中需避免接縫硬接觸，應(yīng)留足注漿縫寬，及時(shí)注漿，確保接頭限位和彌合。

2)覆土回填后，特別是水位恢復(fù)后，外荷載增加，接頭所受軸力增大，應(yīng)力和變形減小，注漿式榫槽接頭的變剛度和變承載能力優(yōu)勢得以發(fā)揮，軸力越大，接頭所能承受的荷載越大，接頭剛度越大，對(duì)接頭的變形和受力起到正向作用。

3)出入口開挖對(duì)其附近拼裝環(huán)的接頭有一定的擾動(dòng)作用，隨著出入口開挖結(jié)束，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，擾動(dòng)作用消失，接頭應(yīng)力和變形逐漸穩(wěn)定在一個(gè)較小的恒定值。

4)接頭應(yīng)力整體變化幅度不大，施工期間注漿式榫槽接頭的2個(gè)榫頭依靠彼此的咬合承擔(dān)外力，并表現(xiàn)出一拉一壓2種性質(zhì)，最終接頭應(yīng)力穩(wěn)定在較小的壓應(yīng)力狀態(tài)。

5)拱頂接頭整體變形較小，測試值小于數(shù)值計(jì)算值，按照計(jì)算值進(jìn)行設(shè)計(jì)的接頭具有較大的安全余量。