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装配式 | 拼装虚托对装配式顶拱结构的力学影响

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2023-06-16

本文发布已获得《都市快轨交通》授权

原文发表于《都市快轨交通》

第 36 卷第 2 期 2023 年 4 月

如有转载请联系版权方，标明出处

彭智勇1, 2，杨秀仁1, 2，王臣2 ，杨明2

摘要:在装配式双构件顶拱结构的实际拼装过程中，因托拱千斤顶行程不同步，易导致千斤顶虚托现象发生。基于三维数值计算，分析不同虚托条件下装配式双构件顶拱结构的力学性能，并依据最大主应力失效准则，完成不同虚托状态下装配式顶拱结构的力学性能评价。研究分析发现：上部承托平台虚托时，结构内部最大主应力向压应力趋势发展；下部承托平台虚托时，结构内部的最大主应力向拉应力趋势发展；仅上部承托平台虚托时，装配式双构件顶拱结构主体均满足最大主应力抗拉设计限值；出现任一下部承托平台虚托时，装配式双构件顶拱结构局部区域不满足最大主应力抗拉设计限值。

关键词:轨道交通；装配式地铁车站；双构件顶拱结构；顶拱拼装；千斤顶虚托

中图分类号:U231；TU92 文献标志码:A 文章编号:1672-6073(2023)02-0107-05

1顶拱装配概述

长春和青岛的明挖预制装配式地下车站，分别采用了矢跨比为1︰4.5和1︰4.4的微陡拱形式，且顶拱结构由两块构件组合而成[1-3](这种顶拱结构被称为“装配式双构件顶拱结构”)，这使得顶拱结构在拼装时需要采用合理可行的装配方案[4-5]。目前，采用的顶拱装配方案如图1所示。

顶拱装配过程如下：

1)将第1组顶拱构件和第2组顶拱构件吊装至拼装台车上，由两组托拱千斤顶分别承托其中一组顶拱构件；

2)水平对移托拱千斤顶底座，完成接头水平对接，并完成接头螺栓对拧；

3)同步推进千斤顶底座，接近前一环结构，调整各组千斤顶行程，降低顶拱构件高度，使拱脚与侧墙构件顶部悬空嵌套(拼接未完全到位)；

4)继续推进千斤顶底座，使本环顶拱构件组与前一环顶拱构件组纵拼到位；

5)继续调整各组千斤顶行程，使顶拱构件与侧墙构件实现拼接、完成落拱，拼装阶段完成。

这一施作过程中有一个关键节点容易被忽视，即在千斤顶调整行程时(含降拱和升拱控制的千斤顶行程调整)，由于拱型、构件自重以及千斤顶行程差异[6]等的综合影响，导致4组千斤顶中容易出现某一组或两组千斤顶与构件的承托平台虚托的现象(千斤顶与承托平台脱离，未实际承托构件)。特别在拱脚未拼到侧墙块顶部时，顶拱结构完全依靠4组千斤顶承托，此时若一组或两组千斤顶出现虚托，必然影响结构的受力状态。因此，有必要针对千斤顶虚托状态下装配式双构件顶拱结构的力学性能展开研究。

图2为装配式双构件顶拱结构的安装现场：(a)为顶拱构件的承托平台置于托拱千斤顶的承力梁上；(b)为顶拱构件正吊运至托拱千斤顶上放置；(c)能看出托拱千斤顶在拼装台车的顶部，以及承托平台所在顶拱构件的位置。

由于这类问题是在装配式双构件顶拱结构的拼装过程中产生的，具有特殊性，目前国内外鲜见关于千斤顶虚托状态下装配式顶拱结构力学性能方面的研究。本文针对这一问题，利用三维数值计算，分析不同虚托条件下构件的力学性能；依据最大主应力失效准则，评价不同虚托状态下装配式顶拱结构的力学性能，为明挖装配式双构件顶拱结构的设计与施工提供技术指导。

2模型建立

依据长春装配式地下车站顶拱结构形式，利用ABAQUS分析软件，建立三维数值分析模型，如图3所示。顶拱结构由2组构件组成，构件内考虑了闭腔效应[7]设置空腔结构，拱净跨19.10m，宽2m，单元尺寸40mm，单元数791518个，单元类型为C3D8R。接头连接部位设置了4组螺栓孔，各组螺栓仅两端部与接头设置了绑定连接，螺栓柄与螺栓孔无接触关系，考虑最不利因素影响，螺栓未设置预应力[8]。构件接头的接触面设置了接触关系：接头相邻接触面的切向考虑了接触摩擦(考虑到结构在拼装落拱阶段，构件在自重状态下有一定的压紧程度，摩擦系数取0.5)，接头相邻接触面的法向考虑了硬接触；混凝土C50弹性模量为34.5GPa，螺栓按钢材考虑，弹性模量为210GPa；模型按实际情况，仅按考虑构件自重。

模型边界根据不同的虚托情况，分别在4个承托平台上相应设置铰支约束(即认为千斤顶与承托平台无虚托时，将此承托平台设置为边界，且为铰支约束)，如图4所示。

但当某处承托平台与千斤顶虚托时，对应承托平台的原边界约束关系解除。因此，边界关系根据不同的虚托情况而各有不同，具体虚托边界的设置方式如表1所示。

3结果分析

根据表1所示，千斤顶对结构的虚托组合存在9种形式，通过数值计算，可看出不同虚托方式下结构的最大主应力分布情况明显不同。将混凝土C50轴心抗拉强度设计值1.89MPa作为最大主应力失效准则的临界值，判断构件是否满足受拉强度要求。在9种组合方式中，只要出现了下承台虚托的情况，相邻上承台或上承台所在外皮区域均会出现超限受拉区。统计9种组合条件下顶拱构件最大主应力的主要分布范围，如图5所示。

由图5分析9种虚拟组合方式如下：

1)无虚托方式。4组承托平台均无虚托条件，顶拱最大主应力分布比较均匀，在–0.84～1.38MPa之间。将混凝土C50轴心抗拉强度设计值1.89MPa作为最大主应力失效准则的临界值，判断无虚托拼装方式下顶拱结构的力学指标满足要求。

2)Ⅱ下虚托。在3组承托平台无虚托、第Ⅱ块构件下承台虚托的情况下，最大主应力处于–4.27～7.82MPa范围内；第Ⅱ块构件上承台的外皮区域出现了不满足力学指标要求的受拉区，相当于沿第Ⅱ块构件上承托平台以外的结构处于过大悬臂状态，使得第Ⅱ块构件上承台的外皮区域受拉超限。

3)Ⅱ上虚托。在3组承托平台无虚托、第Ⅱ块构件上承台虚托的情况下，大部分区域的最大主应力处于–1.65～1.71MPa；顶拱结构域无超过1.89MPa的最大主应力区，满足力学指标要求。

4)Ⅰ上虚托。在3组承托平台无虚托、第Ⅰ块构件上承台虚托的情况下，大部分区域的最大主应力处于–1.53～1.84MPa，承托平台的局部应力集中为1.84MPa；顶拱结构无超过1.89MPa的最大主应力区，满足力学指标要求。

5)Ⅰ下虚托。在3组承托平台无虚托、第Ⅰ块构件下承台虚托的情况下，大部分区域的最大主应力处于–4.26～8.35MPa；第Ⅰ块构件上承台的外皮区域出现了不满足力学指标要求的受拉区，顶拱结构的其他区域满足力学指标要求。

6)Ⅰ上+Ⅱ上虚托。在2组承托平台无虚托、第Ⅰ块构件上承台和第Ⅱ块构件上承台虚托的情况下，大部分区域的最大主应力处于–2.36～2.66MPa；第Ⅰ、Ⅱ块构件在下承台角部区域出现了应力集中现象，导致力学指标不满足要求，顶拱结构其他区域均满足力学指标要求。

7)Ⅰ上+Ⅱ下虚托。在2组承托平台无虚托、第Ⅰ块构件上承台和第Ⅱ块构件下承台虚托的情况下，大部分区域的最大主应力处于–5.00～10.40MPa；第Ⅱ块构件上承台所在构件的外皮区域出现了不满足力学指标要求的受拉区，且该承台角部区域出现了应力集中现象，力学指标不满足要求，但顶拱结构其他区域均满足力学指标要求。

8)Ⅰ下+Ⅱ上虚托。在2组承托平台无虚托、第Ⅰ块构件下承台和第Ⅱ块构件上承台虚托的情况下，大部分区域的最大主应力处于–4.66～10.70MPa；第Ⅰ块构件上承台所在构件的外皮区域出现了不满足力学指标要求的受拉区，且该承台角部区域出现了应力集中现象，力学指标不满足要求，顶拱结构其他区域均满足力学指标要求。

9)Ⅰ下+Ⅱ下虚托。在2组承托平台无虚托、第Ⅰ块构件下承台和第Ⅱ块构件下承台虚托的情况下，局部分区域的最大主应力处于–3.4～11.6MPa。由显示大于1.89MPa最大主应力区域云图(图6)可以发现：第Ⅰ、Ⅱ块构件上承台所在构件的外皮区域均出现范围较大的受拉区，同时两承台的角部区域出现了应力集中现象，力学指标不满足要求，但顶拱结构的其他区域均满足力学指标要求。

综上分析，不同虚托组合条件下，装配式双构件顶拱结构最大主应力统计如图6所示。

图6中的红线为混凝土(C50)轴心抗拉强度设计值为1.89MPa。在9种虚托组合方式中，有6种虚托组合方式使顶拱结构的局部区域的最大主应力值超过指标要求，其中：有1种虚托方式的构件主体没有超过轴心抗拉强度设计值，但承托平台附近的混凝土最大主应力超标；剩余5种组合方式下的主体结构均超过了轴心抗拉设计值。从这5种组合方式可以发现，只要虚托方式中任何一组出现下部虚托的情况，结构主体的最大主应力指标就会超限。因此，在拼装顶拱构件特别是千斤顶行程调整时，应尽量避免出现此类虚托情况，特别是下端承托平台的千斤顶虚托，对结构损伤的影响非常明显。

4结语

笔者针对拼装过程中因千斤顶行程不同步而导致的千斤顶虚托等施工问题，基于三维数值计算，分析了不同虚托条件下装配式双构件顶拱结构的力学性能，并依据最大主应力失效准则，完成了不同虚托状态下装配式顶拱结构的力学性能评价，研究分析发现：

1)4组承托平台组合中，当上部承托平台虚托时，结构会向虚托位置产生变形，由于拱效应的存在，使得结构内部最大主应力向压应力趋势发展，但部分构件的承托平台出现应力集中、最大主应力变大的情况。

2)4组承托平台组合中，当下部承托平台虚托时，结构依然会向虚托位置变形。这时，相当于一部分结构成为悬臂状态，使得结构内部的最大主应力向拉应力趋势发展，从而导致结构不满足相关力学指标的要求。

3)4组承托平台组合中，仅上部承托平台虚托时，除Ⅰ上+Ⅱ上虚托方式使结构承托平台出现应力集中超限外，装配式双构件顶拱结构均满足最大主应力的抗拉设计限值。

4)4组承托平台组合中，出现任一下部承托平台虚托时，装配式双构件顶拱结构的局部区域将不满足最大主应力抗拉设计限值。因此在实际施工时，应严格避免出现升拱时上部千斤顶比下部千斤顶行程快、落拱时上部千斤顶比下部千斤顶行程慢的情况。

参考文献

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