0 引言
随着我国不断向城镇化推进,城市土地资源日趋紧张,越来越多的城市开始向地下发展。在开发地下空间的过程中,传统的现浇混凝土建造方式建材损耗大且建筑质量不稳定。而预制装配式建造技术(后文简称装配式技术)具有绿色环保、施工高效便捷、结构稳定性好等优点,在地下工程中具有广泛的应用前景。
本文首先应用Citespace软件对2000—2022年的地下装配式相关文献进行可视化分析,总结了装配式技术在我国地下工程中的应用现状,然后归纳其在地下工程中的重点研究方向,并提出其在地下工程中的研究趋势与展望,为推动地下工程一体化、工业化、绿色化施工提供一定的参考和借鉴。
1 国内期刊源地下装配式技术研究可视化分析
1.1 数据来源
利用Citespace对地下空间装配式技术的相关文献进行可视化分析,文献数据来自于CNKI数据库,时间范围是2000—2022年。以“地下装配式” “地下预制”为关键词进行检索,确定了1 642篇相关文献。
1.2 研究主题
共词网络能清晰地反映学科结构的集中程度,其中,每个节点代表若干篇论文,节点越大,关键词出现的频率就越高,与本文主题的相关性就越强;节点间的连线表示两个关键词之间有着共现关系,连线的粗细表示二者共现关系的强弱。在关键词共现网络(图1)中,本文列出了20个常见关键词,见表1所示。
图1 CNKI数据库地下装配式领域关键词共现网络
表1 CNKI数据库地下装配式领域高频词
中心度表示节点的重要性,通常在图中显示为红色环。圆环的粗细反映了节点的重要程度,越厚的节点之间的居中性越高,其重要性也越高。中心度排名前五的关键词分别是“装配式”、“综合管廊”、“数值模拟”、“地铁”和“地铁车站”。
1.3 域演进趋势
聚类分析可以将大量关键词分为若干个研究主题,这有助于确定研究主题、趋势及其在研究领域内的相互联系。通常都采用对数似然比(LLR)算法计算聚类,本文也由此确定了8个共引聚类,图2为地下装配式关键词共现网络的聚类图。#0、#1、#2、#3、#4、#5、#6、#7、#8、#9分别是数值模拟、综合管廊、地铁车站、装配式、设计、地铁、基坑工程、叠合楼板、盾构隧道。 图3是关键词聚类的另一种表现形式,表示了聚类的发展过程。 从图3中可以看出,文献首先集中在#2和#3两个主要类别中,然后发展到#0、#4、#05,最后为#1、#6、#8和#9。
图2 CNKI数据库地下装配式关键词共现网络的聚类
图3 CNKI数据库地下装配式领域关键词共现网络的时间线聚类
1. 4 研究热点
爆炸性关键词(即爆炸术语)是会随时间而变化的频率较高的关键词,可以反映一定时期内的研究趋势。 本文通过使用Citespace 中的爆破检测算法,确定了从2000—2022 年频率最高的前15 个爆炸性关键词,如图4所示,红色横线部分是爆炸术语出现的时间范围。 2007—2010年, “施工”出现的频率最高;2009—2015 年,“地下车库”“管片接头”成为新的研究热点;2015— 2018 年,研究热点又变成“预制拼装”“预制拼装”“综合管廊”“施工技术”;从2018 年至今,更多的学者开始关注地下装配式结构的“力学性能”,而装配式“铁路隧道”也成为新的研究热点。
图4 CNKI 数据库地下装配式领域前15个爆炸关键词
2 地下工程装配式技术研究应用现状
装配式技术在地下空间中的应用主要有以下3个方面:地下综合管廊、隧道以及地铁车站。
2.1 地下综合管廊
装配式技术在地下综合管廊中应用较多,目前常见的装配式综合管廊可以分为以下4类,具体分类及其特点如表2所示。
表2 装配式综合管廊的分类及特点
针对上述4种综合管廊,国内学者分别进行了相应分析研究。
在预制节段拼装综合管廊的研究方面,胡翔等以上海世博会园区综合管廊工程为背景,对采用预应力筋连接的预应力综合管廊的受力性能展开了系统的研究。其研究从预制节段综合管廊 接头受力性能及整体受力性能两方面展开,为预制 节段综合管廊的建设提供了技术依据,实验数据具 有良好的参考价值,但由于采用了足尺模型进行试 验,试件尺寸较大,而试验机的空间有限,整体结构 试件被旋转了90°,与构件的实际工作状态稍有区 别。王会丽等以上海临港地区的地下预制装配式综合管廊为例,分析了3种不同的预制节段拼装 施工技术的特点,发现该工程更适合用履带式起重 机施工。其研究则更侧重于施工技术方面,对预制 综合管廊实际拼装作业具有借鉴意义,但其只是简 单地对3个方案进行比选分析,缺乏系统性和全面 性。在胡翔等研究的基础上,刘营等依托某预 制拼装综合管廊工程,通过建立有限元模型对比分析了接头刚度变化和土质变化对结构模态的影响, 为预制节段综合管廊抗震性能的研究提供了理论 依据,但缺乏实验数据的支持。
在叠合整体式综合管廊方面,韩向科等结合长沙高新区综合管廊,提出了一种分区混合施工技术,该技术采用新型叠合装配式拼装方式,将管廊主体拆分为基本构件,在方便运输的同时还能有效缩短工期。 虽然这项技术已经被成功运用于实际工程中,但文章主要介绍了该技术的施工工艺流程,并没有对运用该项技术拼装而成的综合管廊进行全面的受力性能分析。 吴剑秋等以聊城市地下综合管廊工程为工程背景,研究了一种新型预制叠合装配式技术,本技术采用的结构体系将预制墙板、叠合顶板和现浇底板相结合。 作者对结构连接节点技术和防水技术的介绍较为详细,便于实际施工操作,但对于该项技术如何提高施工效率、降低施工成本并没有实际数据支撑。
在分块预制拼装综合管廊的研究方面,黄文翾利用有限元分析工具对分块预制装配式接头的抗震性能进行了研究,发现刚性接头比柔性接头的抗震性能更好,并且开创性地研究了分块形式对综合管廊抗震性能的影响,以便对综合管廊进行设计时综合考虑分舱设计。 其研究局限性在于只研究了平原地区的地下预制综合管廊抗震性能,没有研究其他地形;只是采用有限元模型进行理论分析,没有实验数据进行佐证。
现浇和预制装配式钢筋混凝土结构形式是目前城市综合管廊主要采用的两种结构形式,但近年来,钢波纹管廊以其诸多优势开始获得工程界的关注。 岳峰团队首次开展了钢波纹管廊在一般场地和可液化场地两种场地下的大型振动台缩尺模型试验研究,发现钢波纹管管廊相较于钢筋混凝土管廊具有更优的抗震性能,值得在工程实践应用中大力推广。 由于目前对于预制钢波纹管廊的研究尚处于起步阶段,岳峰团队为预制钢波纹管廊抗震性能的研究开辟了方向,也为其抗震设计规范提供了参考依据,但目前其研究只关注于钢波纹管廊整体结构抗震性能,还缺少对连接节点抗震性能的研究。
上述4种不同类型的装配式综合管廊均有较为明确的优缺点及适用条件:叠合装配式综合管廊在装配率方面稍弱于其他3种综合管廊,但它能适应不同尺寸的标准断面,也可与现浇结构连接成整体,并保证节点强度不变;预制节段综合管廊因其预制节段的自重限制而限制了其截面尺寸与长度,无法用于大型管廊工程;分块预制综合管廊可以很好地解决自重方面的问题,但其连接接头过多,会导致施工难度增大,且对施工误差较为敏感;钢波纹综合管廊通常通过铆接或焊接将钢波纹管片进行,该种连接形式具有较好的整体性,但在地基发生不均匀沉降时,容易产生明显的变形。
综上所述,我国对于除钢波纹管廊外的多种装配式地下综合管廊已有较为成熟的研究应用。 研究通常以具体项目为依托,针对其施工工艺流程、施工关键技术、受力性能、防水性能、抗震性能等方面进行分析。 值得一提的是,钢波纹管廊具有材料强度高、现场装配简单、节点连接便利等优点,具有较好的应用前景。 但由于其应用时间较短,现有研究仍较为局限,相关研究还有待扩充。 此外,现有研究方法主要为试验研究与数值模拟,理论研究还有待提高;现有研究多针对某一具体工程,较少有研究能够对普适性结构形式展开;已有研究尚缺少对整体受力性能及地基不均匀沉降造成影响两方面研究。
2. 2 地铁车站
近年来国内开始尝试将装配式技术应用在地铁车站中。 我国首次将明挖预制装配式建造技术应用于长春地铁2号线袁家店站中;上海轨道交通15号线吴中路站采用了预制拼装技术+现浇叠合拱壳的建造技术;济南轨道交通R1线演马庄西站为贯彻临时支护+永久支护的设计理念,采用预制柱加永久结构柱、预制桩加主结构墙、预制板加现浇板的方案;在北京地铁6号线金安桥站中,我国首次采用了整体装配式技术。
目前,围绕长春地铁2号线预制车站的研究最多。 董林伟等对长春地铁2号线的工程背景及相关技术进行了介绍,后又结合北京地铁6号线金安桥站,对装配式地铁车站的防水性能进行研究。其研究的创新之处在于建立了密封垫防水机理的全过程力学模型,比较分析了装配式车站从吊装到使用各阶段的防水性能,研究更全面,试验数据更充分。 杨秀仁等、苏会峰等针对长春地铁2号线使用的榫槽注浆式接头进行了抗弯承载力试验,发现注浆范围、注浆材料、荷载等因素都会影响接头的承载能力;研究还对单榫长接头的M-θ关系、裂缝发展规律、混凝土表面应力发展规律以及钢筋应力发展规律进行了分析。 研究成果对于装配式车站接头设计具有重要的参考价值,不过其研究侧重于试验结果,并没有提出便于设计的简化理论模型与设计方法。
Yang等、杨秀仁等研究了长春地铁2号线装配式车站的关键技术,包括结构防水技术、接头技术及大型预制构件生产技术等研究。研究更多地是从实际工程的角度出发分析装配式车站的相关技术,致力于推广预制装配式技术在地下工程中的应用。Tao等也以该地铁车站为工程背景,在前人研究的基础上,通过对实际地震作用的定性模拟,探索了装配式车站结构的地震响应特征,验证了结构的安全性和可靠性。研究结果为装配式车站的抗震设计、施工和安全评价提供了科学依据和有价值的参考。但其研究以试验研究为主,缺乏对抗震设计方法的分析。为分析拱形、矩形两种地铁车站受力性能差异,李向海等也以该车站为例进行受力性能分析,得出了拱形结构形式的受力性能要优于矩形结构的结论。但研究仅从荷载角度分析了车站的受力性能,并未考虑其他因素的影响。
国内对预制装配式地铁车站的研究大多结合实际工程案例为背景进行研究,已有研究从研究对象上大体上可以分为两大类:第一类是以长春地铁2号线袁家店站为主的全预制地铁车站,该车站断面如图5所示,第二类是以上海轨道交通15号线吴中路站为主的预制构件+现浇混凝土的叠合装配式地铁车站,图6为该车站大厅全貌。关于装配式地铁车站的研究内容与综合管廊类似,具有较大的同质性,现有研究仍是用同一种方法研究不同的实际装配式地铁车站案例。许多研究都表明,装配式地铁车站相比于传统地铁车站有诸多优势,但很少研究指出其存在的缺点及其推广过程中存在的主要障碍。
图5 长春地铁2号线袁家店站
图6 上海地铁15号线吴中路站
2.3 隧道
地下工程土方开挖方法有很多,如图7所示。传统的隧道施工时,钢筋混凝土结构一般采用全现浇的方式,但随着装配式技术的兴起,研究人员将不同的土方开挖方法与装配式技术相结合,就出现了矿山法地下装配式结构、明挖法地下装配式结构、浅埋暗挖法地下装配式结构及盾构法地下装配式结构等不同工程类型。
图7 地下工程土方开挖方法
目前我国装配式技术在隧道的应用较多集中在盾构法隧道,已经积累了相当成熟的经验。京张高速铁路清华园隧道采用了盾构隧道轨下预制结构,其标准段轨下结构断面图如图8;上海复兴东路隧道采用了带牛腿盾构管片与预制上层车道板相结合的方案,实现了施工的全预制化,其断面图如图9所示;南京纬三路隧道采用梁板后浇接头与预制上层车道板相结合的方案,大大提高了盾构隧道结构的预制率,结构示意图如图10。
图8 京张高速铁路清华园隧道标准段轨下结构断面
图9 上海复兴东路隧道横断面图
图10 后浇接头+预制上层车道板结构体系
目前,国内对盾构隧道装配式衬砌技术的研究较多。 江帅等介绍了新型装配式衬砌技术的应用情况;在矿山法隧道内进行装配式施工存在很多问题,为解决这些问题,张金伟等对衬砌拼装机设计和施工需求条件展开了研究;张胜龙等采用荷载 结构模型分析了不同围岩条件下整体衬砌的内力特征。 江帅主要从施工角度,着重强调装配式衬砌技术的施工工艺流程;张金伟则重点研究拼装设备及其技术需求条件;张胜龙则是利用有限元软件,对衬砌结构的横向位移、竖向位移、轴力、弯矩这4个主要性能指标进行分析。
除此之外,少数学者对明挖法地下装配式结构施工技术进行了研究,武耀、赵有明等均提出了不同的结构布置与施工方案,对装配式结构在该类地下结构中应用的可行性进行了探索。 武耀主要从实际施工的角度,介绍了装配式隧道的施工流程,为装配式隧道施工方案的编制提供了参考;赵有明则介绍了装配式隧道施工的关键技术,包括设计选型、构件制备、施工拼装以及信息化技术4个方面。 由于变刚度接头将会使明挖装配式隧道的力学行为变得很复杂,而目前这方面的分析软件还不成熟,因此,杨秀仁等提出了一种适用于变刚度接头的明挖装配式隧道的整体作用分析方法,即多次迭代分析法,该方法能更加准确高效地分析带有变刚度接头的装配式隧道的整体作用。
相比于装配式综合管廊及地铁车站,对预制装配式隧道的研究相对单一,主要集中在盾构隧道装配式衬砌技术及其受力性能分析方面,其次是对装配式隧道施工工艺流程的研究,其中,有关装配式衬砌受力性能的研究仍存在诸多问题。 例如,在采用接触面单元和变刚度等效法模拟注浆层时,对注浆参数的选取具有不确定性;在运用梁 弹簧模型进行有限元模拟时,无法考虑螺栓的偏向,因此得出的计算结果与实际存在较大误差。 近年来,开始有学者对装配式技术在明挖法隧道中的应用进行研究,但现有研究仍不足以支撑工程应用。
3 地下工程装配式技术研究热点
结合前文的关键词共现网络以及对现有文献的阅读,本文总结了我国装配式技术在地下工程应用的4个研究热点:装配式衬砌拼装技术、装配式结构受力特性、装配式结构抗震性能、装配式结构防水技术。
3. 1 装配式衬砌拼装技术研究
相比于整体式模筑混凝土衬砌技术,装配式衬砌结构的特别之处就在于其衬砌结构是一块一块的管片连接而成,结构的整体刚度不仅与管片和管片连接材料的刚度有关,还由管片的划分方式决定。 因此,在进行装配式衬砌施工之前还需要针对不同的装配式结构制定不同的装配式衬砌构件划分方案,图11为在北京地铁6号线西延07标工程中采用装配式衬砌施工技术的隧道管片分块示意图,图12 为长春地铁2号线双峰站装配式结构分块示意图。
图11 北京地铁6号线西延07标隧道断面图
图12 长春地铁2号线双峰站
装配式衬砌技术还需要使用拼装设备将预制构件进行拼装。北京地铁6号线西延07标工程是国内首次使用“新时代号”拼装机进行二次衬砌管片拼装,相对于传统作业方法,该技术能大幅度减少现场作业人员,显著提高施工进度。严义招、陈敬军、贾永刚都对装配式隧道衬砌技术进行了较为系统的研究,研究均采用有限元法进行数值模拟,不同之处在于:陈敬军选用的计算模型为荷载结构模型、围岩结构模型,而贾永刚采用的则是在接触力学模型的基础上进行修正得到的力学模型,严义招则是选用荷载结构模型、梁弹簧模型以及连续介质模型。上述3项研究均缺乏试验数据的验证,因而无法判断哪种模型较为适用;且由于研究时间较早,部分有限元模型单元与约束条件已经过时。
我国对装配式衬砌技术的研究还不够成熟,已有研究主要聚焦于装配式衬砌的力学计算模型与施工技术流程两方面。力学计算模型方面,已有研究通过比较不同计算模型的结果差异,初步探讨了不同计算模型的适用范围。整体技术流程方面,现有研究主要集中在装配式衬砌技术施工流程上,同时也对装配式技术与传统模筑法施工效率进行了对比。
3.2 装配式结构受力性能研究
目前对于地下空间装配式结构受力性能的研究大多都采用有限元法进行数值模拟,包括但不限于杨贵生等、丁克伟等、宋冉等、崔东来、Liu等、岳佳松、雷有坤、李向海等、陈守一。丁克伟等在对基于螺栓连接的新型混凝土梁柱节点进行足尺试验之后,又利用ABAQUS软件对比分析了现浇节点和装配式节点的抗震性能差异,模拟得到的滞回曲线与试验得到的基本吻合(图13),但因为实际构件的钢筋会发生黏结滑移,而有限元模拟的结果更为理想,导致试验得到的“捏缩”效应更加明显。Liu等同样采用足尺试验与数值模拟结合的方法,对地下机械耦合的墙梁桁架节点的非线性力学行为进行了研究,从荷载位移曲线、混凝土开裂分布、钢筋应变等方面讨论了节点的非线性行为,其研究方法与丁克伟类似,而且产生误差的原因也基本相同。 孙希波等提出将装配式钢结构用于地铁施工竖井的支护结构,并采用MidasGTS NX 三维有限元软件对其进行受力分析,结果表明,这种方法可以有效缩短工期。 与其他研究不同,孙希波等的研究对象是地铁车站的施工竖井,且其采用地层 结构模型和莫尔 库仑本构模型进行力学计算,但由于其研究结果只是由数值模拟得出,因此仍需结合现场施工监测,以便进一步验证该种方法对于结构受力变形演变机制模拟的准确性。 郑斌等利用有限元软件对接头的受力性能进行数值模拟,发现在承载力、抗震性能方面,灌浆套筒连接节点与现浇连接节点比较相似。 其研究主要集中于拉伸损伤分布、钢筋应力分布以及柱顶力 位移曲线三方面,相比于以上研究,还缺少有关3 种接头滞回曲线的对比分析。
图13 试验与有限元模拟得到的滞回曲线与骨架曲线
以上研究大多都是对使用阶段的装配式结构进行研究,但近年来,也有少部分学者对施工阶段的力学性能展开了研究。 彭智勇等对拼装施工阶段的装配式地下车站进行了力学分析,研究发现结构内力和变形幅度较快的阶段是顶部回填阶段,此时应注意堆载荷载是否过大。 还有学者对长春地铁装配式车站进行了长期原位监测,从而对拱顶接头在施工阶段的力学性能进行分析。 这是国内外第一次对装配式地铁车站进行原位监测,原位监测能更加直观地反映装配式结构的实时受力性能及其变化范围和幅度。 对施工阶段的装配式结构进行力学分析能使施工人员了解各个结构的承载能力,有利于减少装配式结构工程事故的发生,还可以从结构施工阶段受力性能变化情况这方面考虑,如何提高装配式结构施工效率。
从研究方法上看,已有研究对装配式结构受力性能的研究方法比较单一,都集中在数值模拟方法,有少部分研究采用足尺试验与数值模拟相结合的方法。 数值模拟固然可以计算复杂的工程问题,但同时其准确性会受到网格划分、材料属性、约束条件、模型简化方法等参数的影响。 因此,数值模拟的结果通常需要试验进行进一步佐证。 从研究内容上看,关于装配式隧道和综合管廊力学性能的研究较多,但研究大多针对不同连接接头力学性能,鲜有对结构整体受力性能及接头对整体受力性能影响的研究。 综上,目前对于装配式地下结构力学性能的研究在方法上缺乏创新,且存在着接头研究与整体结构研究割裂的问题。 如何通过合理的接头设计,更高效地提升装配式结构的整体受力性能应是未来需要重点关注的研究方向。
3. 3 装配式结构抗震性能研究
近年来,地震等自然灾害的频繁出现使得各国相关研究者越来越重视地下结构的抗震问题。地下装配式结构抗震性能的研究方法主要是数值模拟和试验研究。 地下装配式结构抗震性能的研究重点主要有以下3点:
(1)分析预制装配式结构在不同条件下的抗震性能。 对预制装配式结构在不同地震作用等级、地层条件、接头性能等条件下的抗震性能进行分析。 岳峰等、陈守一及刘博文通过改变场地条件、埋深、地震方向等参数,分析了综合管廊和土之间相互作用的机理。 Tao等以长春地铁2号线地铁站为模型,通过改变地震烈度,对模型进行振动台试验,以分析其抗震性能。
(2)分析预制构件接头抗震性能。 预制装配式结构抗震性能研究的关键在于接头抗震性能的研究,已有研究通常采取足尺接头试验及数值模拟的方法进行。 接头抗震性能的主要研究对象为滞回曲线和骨架曲线等抗震性能关键指标。
(3)对比分析装配式结构与现浇结构抗震性能。 已有研究通常通过分析装配式结构与现浇结构的差异性特征,验证装配式结构的主要技术优势和特点。 张喻捷和余童真都利用数值模拟定量对比分析了装配式结构与现浇结构的抗震性能差异。 研究结果表明,大多数已有装配式结构形式的抗震性能在一定程度上低于现浇结构,但由于采用不同连接方式的装配式结构具有不同的抗震性能,接头位置及接头刚度对抗震性能也有影响,因此装配式结构的抗震性能还有较大的提升与优化空间。
在对装配式结构进行抗震设计时,通常采用波动分析法和相互作用法两种分析方法。 波动分析法需要求解出结构位移时间曲线,其关键在于求解波动方程。 而相互作用法则认为结构和土一起运动,地震波由基岩经过土层传递到结构物,导致结构运动及变形,部分地震波反射至土体后对土体产生反作用,形成土体和结构相互作用体系。 目前,土 结构相互作用法应用更加广泛,基于土 结构相互作用法,在对装配式地下综合管廊的抗震计算时,需要考虑最小覆土高度、恒载、地震作用等方面,其中,最小覆土高度对采用“环压”理论的计算假定有着十分重要的影响。
目前,振动台试验及数值模拟是研究装配式结构抗震性能的主要方法,图14为上海交通大学模拟地震振动台的场景。 在进行振动台试验时,通常采用缩尺模型或足尺模型,相比于缩尺模型,足尺模型能减小实验值与真实值之间的误差。 在进行数值模拟时,一般采用接触面单元法或接触力学分析法,这两种方法都能较为准确地反映地下结构的动力响应规律。 数值模拟研究仍局限在验证性研究阶段,缺少对不同预制结构横截面形状、不同接头位置、波纹板壁厚等关键影响参数的参数分析,也缺少对结构在非一致激励下的相关研究。 对于接头形式、接头刚度、接头位置等多参数影响下的装配式结构抗震性能优化的研究尚少见。 由于目前我国在地下综合管廊方面还没有专门的结构抗震设计规范,对于预制钢波纹管廊的抗震性能研究也相对较少。
图14 上海交通大学模拟地震振动台
3. 4 装配式结构防水性能研究
地下结构一旦出现渗、漏水现象,常常需要花费巨大的人力物力来解决此问题,但结果有时仍不尽如人意。 地下结构的安全性和耐久性很大程度上取决于地下结构的防水性能。
周玉生、雷有坤、董林伟都对预制构件接头处橡胶密封垫的防水性能进行了研究。 周玉生研究了综合管廊接头的防水材料界面间的本构关系及其极限抗压能力。 雷有坤进行了榫式连接口防水试验,通过试验测试了D型遇水膨胀橡胶圈,对榫式连接形式的防水效果和遇水膨胀橡胶圈的防水性能进行了检验。 董林伟对装配式车站接缝处防水材料的防水机理进行了研究,建立了密封垫装配全过程力学模型(如图15),编制了一套新型程序,该程序能通过密封垫老化试验的结果预测其使用寿命,研究范围相对更全面。 黄明利等提出环氧灌浆料灌封接头的防水性能较好,同时,他还指出使用预拌固化土进行地下工程的基槽回填也能提高地下建筑的防水性能。 其研究结果主要是通过足尺试验得到的,侧重于接头处的抗压强度、抗剪强度和弹性模量这3个方面的对比分析,这为预制构件接头灌浆料选型提供了试验数据支撑,但其研究大多只考虑了不同灌浆料接头的力学性能,对防水效果及防水机理的分析甚少。
图15 遇水膨胀密封垫装配全过程力学模型
防水试验或闭水试验是研究预制装配式结构防水性能的主要方法,图16为管片密封垫现场防水试验图。 主要研究内容可分为构件自身防水、连接接头防水和外包防水三方面。 已有研究主要关注连接接头防水,大多通过采用不同材料的灌浆料或密封垫以提高接头防水性能。 多项研究表明预制装配式结构连接接头防水不能仅仅依靠灌浆层的自身防水性能,还应该结合遇水膨胀止水胶及遇水膨胀橡胶密封垫等防水材料共同防水。 通常在对接头进行防水性能研究的同时也会对接头力学性能进行研究,目的是在不改变预制构件强度的前提下提高其防水性能。 事实上,由于结构受力造成的节点变形会对连接接头防水性能产生较大影响,但该方面研究仍较为匮乏。
图16 管片密封垫现场防水试验
总体上看,针对防水性能的研究主要从数值模拟和防水试验两方面展开,缺少对防水机理的研究,理论与实践没有很好地结合,导致研究成果无法应用到实际工程中。 研究主要是通过试验进行,侧重于考虑其力学性能,但缺乏装配式结构防水效果的相关分析。 研究对象较为局限,主要是遇水膨胀橡胶材料,对新材料的防水性能研究比较欠缺。多数研究仅针对装配式结构使用过程的防水性能,缺少对其从建造、使用到维护更换全生命周期防水效果的分析,也缺少对使用年限、土层特性以及埋深等关键要素对防水性能的影响研究。
4 研究趋势与展望
根据绿色建造与建筑工业化发展需求,有关地下工程装配式建造技术的下列方面应被重点关注。
4. 1 装配式结构轻量化发展
为了能够让地下结构承受更大的水土压力,相比于地上建筑,地下结构构件体积更大、配筋率更高。 即使是单块预制构件的体积和质量仍较大,导致拼装作业更困难,对起重吊运设备的要求更高。 因此,装配式结构有必要朝着轻量化的方向发展。 郭正兴等提出可以将全预制装配式车站中的结构构件替换为单侧半预制墙板、半预制预应力楼板及半预制钢管柱,这样便可有效减轻构件自重,使预制构件的安装与运输更加方便。 为使装配式结构向轻量化方向发展,陶金连等提出采用双排闭腔的空心构件,它不仅结构更轻,且满足结构的承载能力和变形能力。
4. 2 装配式结构新材料研究
预制装配式结构的完善离不开新材料的研发,目前已经出现了消能减震材料、新型防水材料等新材料,随着工业化水平的提高,将有越来越多类似的新材料产生。 Zhao 等对玄武岩纤维增强聚合(BFRP)钢筋加固的浅埋预制装配式隧道的防爆性能进行了研究,结果发现BFRP钢筋混凝土拱比钢筋混凝土拱具有更高的承载能力和安全冗余性。
4. 3 装配式地下结构防水问题
根据中国工程院研究报告,我国各城市地铁车站的现浇混凝土结构基本处于“十站九漏”的状况。 在地下结构的使用过程中,由于预制结构接口处密封性能较差导致的漏水现象时有发生,这使得地下装配式技术在很长一段时间内停滞不前。 在地下工程设计时,预制结构也许不会出现漏水问题,有些漏水问题是在结构使用了很长时间之后才出现的。 提高装配式结构的防水密封性能,防止装配式结构在地下空间中长期使用时出现渗漏,是当前亟待克服的重要问题。
4. 4 装配式建造与信息化技术结合
随着我国建筑业工业化与信息化深度融合的趋势日益显著,装配式建造中也开始越来越多地用到信息化技术。 例如,装配式技术可以与RFID技术(RadioFrequency Identification,RFID,无线射频识别技术)结合,该技术通过自动统计,能够记录钢筋混凝土装配式构件从设计到现场装配的全过程,并生成相关报表。 此外,预制装配式技术还可以与BIM 技术结合,无锡地铁建筑信息模型(BIM)建管平台就很好地体现了预制装配式技术与BIM 技术的结合。 将 BIM 与物联网技术结合,还可以建立地下综合管廊监控系统,实现地下空间装配式结构的智能化和信息化。
4. 5 推广钢结构预制构件
相较于钢筋混凝土结构,钢结构具有节点连接便利、构件自重轻、全生命周期碳排放低等优点。因此,钢结构在地上装配式建筑中的应用已相当广泛,但在地下工程中的应用仍较为局限。 在现阶段的地下装配式技术中,钢板桩、预制波纹钢板的应用最为广泛。 预制波纹钢板质轻型薄、受力性能好且拼装简便,现已广泛应用于隧道初期支护结构、地下管道、地下微型停车库等方面。 随着装配式技术在地下工程的进一步应用,钢结构必将有更为广阔的发展空间。
5 结语
通过利用Citespace 软件对相关文献进行可视化分析,发现装配式建造技术在我国地下工程的应用主要集中在地下综合管廊、地铁车站与隧道3个领域,通过Citespace 的爆炸检测算法发现“装配式铁路隧道”是近年来的研究热点。 对地下空间装配式结构的研究通常都是以某一具体项目为依托,针对其施工工艺流程、施工关键技术、受力性能、防水性能、抗震性能等方面进行分析。 主要采用试验和传统模型下的数值模拟方法进行研究,理论研究与数值模型创新仍较为匮乏。 已有研究大多都用同一种方法从同种角度研究不同的装配式结构实际项目,研究内容具有同质性,缺乏创新性与代表性。
从技术方面看,现有研究主要集中在装配式衬砌拼装技术、装配式结构受力特性、装配式结构抗震性能与装配式结构防水技术4个方面:
(1)在装配式衬砌拼装技术方面,我国对装配式衬砌技术的研究还不够成熟,已有研究主要聚焦于装配式衬砌的力学计算模型与施工技术流程两方面。 已有研究通过比较不同计算模型的结果差异,初步探讨了不同计算模型的适用范围。
(2)在装配式结构受力特性方面,已有研究均为试验研究与数值模拟,缺少理论分析与简化设计模型研究;关于装配式隧道和综合管廊力学性能的研究较多,但研究大多针对不同连接接头力学性能,鲜有对结构整体受力性能及接头对整体受力性能影响的研究。目前对于装配式地下结构力学性能的研究在方法上缺乏创新,且存在着接头研究与整体结构研究割裂的问题。如何通过合理的接头设计,更高效地提升装配式结构的整体受力性能应是未来需要重点关注的研究方向。
(3)在装配式结构抗震性能方面,目前,振动台试验及数值模拟是研究装配式结构抗震性能的主要方法。数值模拟研究仍局限在验证性研究阶段。在进行抗震分析时,通常采用波动分析法和相互作用法这两种分析方法,其中相互作用法应用更为广泛。
(4)在装配式结构防水性能方面,针对防水性能的研究主要从数值模拟和防水试验两方面展开,缺少对防水机理的研究,也缺乏装配式结构防水效果的相关分析,所用防水材料也较为单一。多数研究仅针对装配式结构使用过程的防水性能,缺少对其从建造、使用到维护更换全生命周期防水效果的分析,也缺少对使用年限、土层特性以及埋深等关键要素对防水性能的影响研究。
为进一步推动装配式技术在地下工程的应用发展,应重点关注并解决装配式结构轻量化发展、装配式结构新材料研究、装配式地下结构防水问题、装配式建造与信息化技术结合及推广钢结构预制构件这5个方面的问题,逐步实现建造面向全生命周期的高性能装配式地下工程。
摘自《地下空间与工程学报》