土体冻融循环对最北高铁站房装配式雨棚结构性能影响研究

Study on the Influence of Soil Freeze-Thaw Cycle on the Structural Performance of Prefabricated Canopy at the Northernmost High-Speed Railway Station

摘要

伊春西站是中国目前在建纬度最高、首个在严寒地区多年冻土层施工的高铁站房，采用装配式雨棚，土体冻胀对装配式雨棚整体结构性能影响很大。本文通过有限元软件建立雨棚结构模型，进行冻胀作用对桩基影响的模拟，并对冻融时长、变形数量以及冻融位置等参数进行了分析，得到冻胀对装配式雨棚结构性能影响的规律，为严寒地区装配式雨棚安全使用提供依据。

Abstract

Yichun West Railway Station is the highest-latitude high-speed railway station in China and the first prefabricated canopy station constructed in permafrost regions under severe cold climate. The structural performance of prefabricated canopies is significantly affected by soil frost heave. In this study， a finite element model of the canopy structure is developed to simulate the impact of frost heave on pile foundations. Parameters such as freeze-thaw cycle duration， deformation magnitude， and freeze-thaw position are analyzed. The research reveals the influence patterns of frost heave on the structural behavior of prefabricated canopies， offering a basis for ensuring their safe application in severely cold regions.

Graphical abstract

关键词

冻胀作用 / 装配式雨棚 / 有限元

Key words

frost heave action / prefabricated canopy / finite element

0 引 言

随着我国建筑业的快速发展，装配式施工技术和管理水平显著提升，同时人力成本的大幅上升使得装配式建筑的应用重新受到关注，并呈现出快速发展的趋势。借鉴国外建筑产业化的先进经验，黑龙江、北京、江苏和上海等地率先建设了一批预制装配式结构试点示范工程。这些项目通过高校与企业的合作，推动了装配式技术的发展，相关的地方标准相继出台。房地产开发企业也开始采用混凝土预制装配技术建造住宅，成功实现了框架结构外挂预制墙板体系、叠合剪力墙体系和非承重夹芯保温剪力墙体系三种技术的应用^［1］。此外，为响应国家减碳战略，研究人员^［2］对装配式建筑全周期碳排放进行了研究，进一步增强了其在环保和节能方面的优势。同时，我国装配式技术与BIM技术的结合使用，提高了装配式构件的设计和生产效率，使得产业化工程更加精细化，智慧工地建设也得到了完善^［3］。

高铁站房是铁路客运中的重要基础设施，雨棚作为高铁站房的重要组成部分，其建设及使用是铁路客运服务的重要环节。目前小型高铁客站多采用现浇式钢筋混凝土雨棚^［4-8］，大中型高铁客站多采用装配式钢结构雨棚^{［4， 9-12］}。当雨棚采用现浇式钢筋混凝土结构时，其施工存在与站前交叉作业多，单层结构脚手架用量大、周转少，以及总体施工成本高等问题。当雨棚采用装配式钢结构时，其在实际使用过程中存在易生锈、屋面抗风性差、列车通过风鸣振颤严重等问题。

为了解决现浇钢筋混凝土雨棚和装配式钢结构雨棚所存在的问题，中铁建设集团对装配式钢筋混凝土雨棚展开了理论和试验研究^{［4，13-15］}，并将其用于工程实践，伊春西站是工程实践之一。该项目为我国目前在建纬度最高、首个在高寒地区多年冻土层施工的高铁站房，土体冻融循环对装配式雨棚整体结构性能影响很大。

土体冻融循环对混凝土的性能会产生较大的影响。林钰博^［16］对钢混组合结构柱在冻融循环下的力学性能进行了研究，得出冻融循环后混凝土内部孔隙增大、承载力下降的结论。孙路等^［17］研究提出了考虑冻融循环的混凝土梁桥地震易损性分析框架，发现冻融循环会导致桥墩截面抗弯承载力和极限曲率退化。赵欢等^［18］利用有限元分析软件，在考虑季节性冻土结构性、冻融循环的基础上建立了路基沉降预测模型，得出路基累积沉降值随冻融次数的增加而增大的结论。

目前，相关研究多集中于土体冻融对基础等部位的影响。周亚龙等^［19］的研究针对多年冻土地基的桩基础冻拔效应，提出综合考虑土冻胀变形和桩土界面滑移的理论模型。Liu等^［20］、Zhou等^［21］采用有限元数值模拟的方法分析了冻土地基单桩的冻拔响应，但建模、参数设置及求解过程比较复杂。赖远明等^［22］利用叠加原理和弹性半空间的Mindlin公式，计算得到切向冻胀力和水平冻胀力沿深度的分布规律。Zhang等^［23］通过冻融试验研究了高铁站台雨棚灌浆套筒接头，探讨了消泡剂、早强剂和膨胀剂对拉伸与粘结性能的影响。Lin等^［24］研究了铁路月台雨棚大直径半注浆套筒冬季施工力学性能，提出灌浆套筒接头粘结强度计算公式，试验表明冻融条件下养护温度影响承载力，并给出了改善方法。

现有研究中，冻胀作用对装配式雨棚结构的影响研究较少，很多研究未关注到冻胀位置对整体结构的影响以及薄弱结构出现位置。因此，本研究以伊春西站装配式混凝土雨棚项目为基础，旨在探讨土体冻胀作用对装配式雨棚结构性能的影响。通过使用有限元软件ABAQUS构建装配式混凝土雨棚结构模型，并模拟冻胀作用对桩基的影响，本研究分析了冻融时长和变形量等关键参数，揭示了冻胀对雨棚结构性能的影响规律，为严寒地区装配式雨棚的安全应用提供了科学依据。

1 工程背景

站台项目地点位于伊春，伊春是黑龙江省辖地级市，属北温带大陆性季风气候，是小兴安岭寒冷多雨区。2023全年温度-4~10 ℃，极限低温为-42 ℃。冬季寒冷漫长，新建伊春西站地处北纬47°43′，在这种条件下，工程常遭遇冻土问题。冻土是指含有冰的岩石或土壤，其在冻结时体积膨胀，可能导致地基隆起或鼓胀；融化后，由于冰的支撑作用消失，体积缩小，整体承载力下降，进而导致岩土体陷落。铁伊高铁沿线气候严寒，冻结期长，岛状多年冻土分布不均，这使得其控制难度超过青藏高原的大面积冻土；伊春地区浅表地下水丰富，加剧了冻土和冻害问题；此外，富含腐殖质的黑土对冻胀更为敏感，变化性更大。伊春西站是我国首个穿越高寒岛状冻土带的高铁站，也是我国最北高铁站，施工地点冻土层厚度最深处达2.9 m，冻胀敏感性大、稳定性差，施工难度大。伊春西站全线使用装配式混凝土雨棚，属全国首例。

车站为线侧下式站型，中心里程为DK111+050；轨顶设计高程为256 m；车场设两座550 m×8 m×1.25 m侧式站台及一座550 m×12 m×1.25 m岛式站台，设到发线5条，如图1所示。站台雨棚与站台等长等宽，如图2所示。

2 装配式雨棚结构形式

装配式建筑通过在工厂预制建筑元件并运输到现场组装，相比传统施工具有多项优势。它减少了对天气等不可控因素的依赖，提高了建筑效率。工厂化生产可降低成本，确保质量，减少材料浪费和能源消耗。装配式建筑具有较强的灵活性，适应不同建筑需求，同时有助于降低环境影响，使建筑更加可持续。

该项目所在地区面临气候条件差、施工期短、施工困难等问题。雨棚采用装配式可以在短施工期内保证施工质量，适用于高纬度极寒地区的工程使用。为最大程度减少高寒地区冬歇期对施工进度的影响，建设单位将全线车站站台雨棚由现浇式优化为装配式。

该项目中装配式雨棚分为双柱式雨棚和单柱式雨棚，本文仅对单柱式雨棚进行研究。装配式雨棚分为框架柱与雨棚梁板，框架柱部分采用现浇式，雨棚梁板采用预制装配式。以单跨单柱雨棚为例，柱部分采用整体现浇，柱顶Y形梁为一单独预制构件，柱间Y形板为两块标准板预制。

节点部分，柱与Y形梁采用浆锚连接法，即在预制Y形梁上预留孔洞，雨棚柱纵向钢筋直接贯穿梁预留孔洞，在孔洞顶部进行灌浆锚固，并在梁顶部设置螺栓锚头，如图3所示；Y形屋面板与Y形梁采用支座连接法，如图4所示。所有构件安装完成后，在梁板之间设置防落梁措施，满足了整体结构的抗震需求。

3 有限元计算

3.1　有限元建模

采用ABAQUS有限元软件建立6跨单柱站台雨棚模型，梁、柱、雨棚板均采用solid模型。为了简化计算，将梁柱merge为一个完整的构件，梁柱与雨棚板之间的连接通过tie连接。建立的有限元模型如图5所示。梁柱与雨棚板之间的连接设置如图6所示。

3.2　施加作用

冻融作用对整体雨棚结构有三部分影响：上部钢筋混凝土雨棚的柱、梁、板的冻融损伤，高速铁路路基冻融以及冻融作用下土壤变形产生冻胀作用对桩基础的作用。在此仅研究冻融作用下土壤的冻胀作用对桩基础的影响。

周亚龙等^［19］采用理论推导、试验结果、有限元计算结果综合分析的方法，建立了活动层回冻桩基受力理论模型，该模型考虑了冻深、桩长、冻土弹性模量泊松比等影响因素，推导得出冻胀量公式。在推导了理论公式之后，其在青藏高原望昆不冻泉段多年冻土区开展了输电塔基础冻拔效应的现场试验，给出了理论计算以及试验实测的随试验日期变化的桩顶位移、环境温度、冻深曲线图，如图7所示。

本文参照上述做法，考虑不利情况，假设第4根桩基发生冻胀位移，在有限元模型中，对第4个柱底施加一个Z向位移与其余所有方向的约束，其中位移量随时间变化，变化曲线参照图7，设置如图8所示；而其余柱底施加三个平动与三个转动的约束，如图9所示。

4 冻融循环作用影响分析

4.1　结构最大应力、最大竖向位移

土体冻融循环下桩基础变形导致的雨棚整体结构最大应力、最大竖向位移见表1。

最大位移和最大应力云图如图10所示。

4.2　桩底冻融变形量

根据前文可知，对于结构影响研究仅考虑桩底冻融，依据桩基冻胀作用下时间-基底变形量曲线施加在ABAQUS建立的模型上。本文选取时间为共242 d，雨棚结构上产生的最大应力点随时间变化和最大变形点随时间变化关系如图11—图12所示。

由雨棚的应力、位移与时间的关系曲线可知，随着时间增加，即冻胀作用的增加，应力与位移的增量减少，这说明雨棚对冻融循环的抵抗已经发展到了塑性。

4.3　不同位置处的变形

前文主要研究单桩受到土体冻融影响，而在本节将讨论不同位置的冻胀作用对整体结构的影响。

按照图13对桩进行编号，将不同位置的冻胀作用情况分为A、B、C、D、E、F六个组。其中，A组为雨棚中间位置考虑连续的三个桩（即3、4、5号桩位置，见图14）由冻胀作用产生位移（本节所有位移按照前文曲线施加）；B组为雨棚边缘位置考虑连续的两个桩（即1、2号位置，见图15）由冻胀作用产生位移；C组为雨棚中间位置考虑间隔的两个桩（即3、5位置，见图16）由冻胀作用产生位移；D组为雨棚边缘位置考虑间隔的两个桩（即1、3号位置，见图17）由冻胀作用产生位移；E组为整个雨棚考虑所有间隔位置处（即1、3、5、7号位置，见图18）由冻胀作用产生位移；F组为另一种排列的整个雨棚考虑所有间隔位置处（即2、4、6号位置，见图19）由冻胀作用产生位移。

通过有限元软件ABAQUS模拟可得出每组的最大应力与最大位移结果。

A组最大应力为72.69 MPa，最大位移为16.74 mm；B组最大应力为75.53 MPa，最大位移为16.65 mm；C组最大应力为89.02 MPa，最大位移为17.68 mm；D组最大应力为89.33 MPa，最大位移为17.53 mm；E组最大应力为93.49 MPa，最大位移为17.18 mm；F组最大应力为87.38 MPa，最大位移为17.98 mm；部分结果云图如图20—图22所示，将各组最大应力以及最大位移汇总至表2。

通过对比A、B组结果以及C、D组结果可知，A、B组最大应力相差3.85%，最大变形相差1.54%，C、D组最大应力相差0.11%，最大变形相差0.90%，说明变形冻胀作用产生的变形施加在雨棚边缘或者中间桩位置影响不大。

通过对比A、C组结果以及B、D组结果可知，A、C组最大应力相差22.69%，最大变形相差4.61%，B、D组最大应力相差18.27%，最大变形相差5.29%，说明冻胀作用产生的变形按照连续布置与间隔布置对于雨棚整体影响较大，由此本文进一步设置了整体间隔布置的方案E、F组。

E、F组相较于C、D组受冻胀作用产生的变形更多，而从结果分析雨棚的响应也更大。对比E、F组可知，E、F组最大应力相差6.59%，最大变形相差1.28%，E组可得出雨棚的最大应力93.14 MPa，而F组可得出雨棚的最大位移17.98 mm。因为这种情况较其余的组破坏最大，如此发生的冻胀作用在实际工程中应该特别注意。

总之，冻胀作用在雨棚边缘或在中间柱位置发生，影响不大。而间隔布置相较于连续布置，应力增幅超过15%，因此应重点监测间隔桩基位置产生的冻胀对雨棚结构的累积影响。

5 结 论

本文基于伊春西站具体工况对在严寒地区土体冻胀作用下的高铁站房装配式混凝土雨棚结构性能影响进行了分析，获得的主要结论如下：

（1） 冻胀作用产生的变形发生在雨棚边缘或者中间桩位置差别不大，2种情况下最大应力相差3.85%，最大变形相差1.54%。实际工程中，这方面可以减少关注。

（2） 冻胀作用产生的变形按照连续布置与间隔布置对于雨棚整体影响较大，间隔布置比连续布置的结构应力大22.69%。在实际类似高寒地区设计装配式雨棚时，应该监测雨棚各柱底桩基础的冻融变形，避免间隔柱发生较大变形。

（3） 冻胀作用使得桩基础产生变形，桩基础变形向上传递，使得上部结构产生变形，其数值比桩基础位置变形更大。实际工程中为了减小结构受冻胀的影响，首先要控制地基以及基础因冻胀产生的变形。

（4） 本项目装配式雨棚的最大应力为93.14 MPa，最大位移为17.98 mm，表明该装配式结构是安全可靠的。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52178129)

深圳市科技计划项目(GJHZ20220913143007013)

深圳市科技计划项目(KCXST20221021111408021)