近年来，我国大力推广装配式建筑、推行建筑工业化，随着我国轨道交通 (地铁) 与地下管廊项目发展，装配式地铁车站与地下管廊势必成为未来地铁与管廊建设的趋势。

　　 装配式地铁车站与配套装配式地下管廊可实现设计、预制构件及施工标准化，大大缩短地铁车站与管廊施工工期，减少现场材料堆放、加工等占地面积，减少混凝土浇筑等大量现场作业，从而节省劳动力、减少建筑垃圾，具有绿色、环保、节能等优势。

　　 装配式地铁车站接头是结构薄弱环节，目前关于预制装配式结构接头的研究主要集中在隧道或地铁区间圆形盾构管片 ^[1,2,3,4]，而专门针对装配式地铁车站接头连接的研究还相对较少。李兆平等 ^[5,6,7]针对长春地铁2号线袁家店站的工程背景，采用试验加载和数值模拟的方法分析了榫槽连接的尺寸、轴力、弯矩对其抗弯刚度的影响规律，研究结果表明，相比于轴力和弯矩的影响，榫槽尺寸对抗弯刚度影响较小。张学龙等 ^[8]采用试验与数值模拟的方法分析了接头裂缝张开量与挠度的变化规律，研究结果表明，随着轴力增大，混凝土开裂弯矩和钢筋屈服弯矩会相应增大。虽然针对榫槽接头的抗弯刚度已进行了相关研究，但关于接头抗弯刚度的变化过程尚缺乏相关机理性分析。此外，相关计算结果仅适用于特定尺寸接头，无法直接应用于其他尺寸接头。这是因为接头的抗弯刚度受截面尺寸影响，当截面高度和厚度变化时，其抗弯刚度随之变化。

　　 本文以长春地铁2号线袁家店车站榫槽接头为例，通过有限元模拟对其抗弯刚度进行计算，通过分析接头压弯变形规律，对其抗弯刚度变化的内在原因进行研究;在分析过程中通过引入抗弯刚度折减系数，消除了计算结果对截面尺寸的依赖性。

　　 长春地铁2号线袁家店站主体结构为单拱形，预制构件间采用榫槽连接。拱形截面地铁车站结构的顶板、侧墙和底板需承受轴力和弯矩的共同作用，因此进行数值模拟时以轴力和弯矩作为变化参数，分析榫槽接头抗弯刚度的变化规律。

　　 在保证榫槽接头截面形状、尺寸及注浆材料与车站设计一致的前提下，为提高计算效率，对构件接头进行简化，如图1所示。接头试件榫长195mm，榫槽深200mm，中间预留5mm厚环氧树脂注浆夹层，榫头部分长1 445mm，榫槽部分长1 450mm。接头试件宽度与车站实际一致，为700mm，接头厚度为500mm。

　　 采用ABAQUS软件建立榫槽接头三维模型。在接头位置预先施加轴力，然后再施加弯矩荷载，如图2所示。

　　 混凝土强度等级为C50，弹性模量为34.5GPa，泊松比为0.2，有限元模拟时采用混凝土塑性损伤本构模型，其本构关系根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》 (2015年版) 确定，如图3所示。混凝土及榫槽间填充的环氧树脂为各向同性材料，采用线弹性本构模型，弹性模量为60GPa，泊松比为0.38。为防止集中力对接头局部混凝土影响过大，通过钢垫板施加在试件上，钢垫板选用线弹性本构模型，弹性模量为206GPa，泊松比为0.3。

　　 接头模型由榫槽、环氧树脂、榫头、5块钢垫板等8部分组成。为提高单元计算精度，榫槽、环氧树脂与榫头均采用20节点六面体单元 (C3D20R) ;钢垫板在计算过程中仅起到传递荷载作用，采用10节点六面体单元 (C3D10R) ，以提高计算效率。榫槽、榫头及钢垫板网格单元大小为0.05m×0.05m×0.05m，环氧树脂网格大小为0.025m×0.025m×0.025m，所有部件均采用结构网格划分。

　　 钢垫板与接头间、环氧树脂与榫头及榫槽间采用绑定约束，拼缝处接触面法向采用硬接触、切向采用无摩擦面面接触。预加集中荷载N作用在榫槽左接触面，2个集中荷载F分别施加在接头上部的2块垫板上，通过垫板将荷载传递至接头。底部垫板及榫头右侧面施加位移约束，底部2个垫板的约束条件为:U₂=0, U₃=0, UR₁=0, UR₂=0，榫头右侧面约束条件为:U₁=0, UR₁=0, UR₂=0。

　　 轴压强度1MPa时，接头弯矩-跨中挠度关系曲线如图4a所示;抗弯刚度随弯矩的变化规律如图4b所示。

　　 加载初期，跨中挠度随弯矩增大基本呈线性增加;当弯矩值超过130kN·m时，跨中挠度开始急剧增大;接头抗弯刚度在弯矩作用下大体可分为3个阶段:初始平稳阶段 (OA) 、缓慢下降阶段 (AB) 和急剧下降阶段 (BC) 。加载初期，随着弯矩增加，接头底部混凝土的预压应力逐步减小至0，此时混凝土变形为弹性变形，接头抗弯刚度 (OA段) 基本保持不变;继续增大弯矩，接头部位刚度逐渐减小 (AB段) ，这是因为除环氧树脂接触面外，榫槽与榫头在底部接触面上不存在黏结力，随着弯矩增大，接头底部裂缝逐渐张开，接头位置抗弯刚度逐渐减小;当弯矩达到130kN·m时，榫头根部发生拉伸屈服，随着弯矩增大，屈服区域快速增大，直至贯穿整个接头，此阶段 (BC段) 接头抗弯刚度急剧减小。

　　 通过有限元软件分析轴压强度为0, 1, 2, 3MPa时接头抗弯性能，如图5所示。

　　 初始加载阶段，跨中挠度随弯矩增大而线性增大;轴向预压力越大，其线性段越长;在稳定阶段，不同预压应力下的接头抗弯刚度基本相同，预压应力大小对抗弯刚度没有影响，这是因为接头处于预压阶段，接头的抗弯刚度即为混凝土截面的抗弯刚度。随着弯矩增大，不同预压应力下接头抗弯刚度均经历了缓慢下降与急剧下降阶段，直至接头发生破坏。需要注意的是，预压应力对接头抗弯刚度缓慢下降、急剧下降的弯矩点存在较大影响，随着预压应力增大，节点抗弯刚度衰减时刻逐渐推迟。

　　 将接头折减后的抗弯刚度与截面初始抗弯刚度的比值定义为抗弯刚度系数，图6为轴力和弯矩对接头抗弯刚度系数的影响规律。抗弯刚度系数随弯矩的增大表现出先缓慢减小后急剧减小的趋势，且随着轴力增大，接头抗弯刚度系数减小的时刻逐渐推迟。

　　 当接头处弯矩超过急剧下降点时，其抗弯刚度系数急剧下降，可认为试件失去承载能力发生破坏。在急剧下降点前，接头抗弯刚度系数为0.6～1.0，因此进行装配式地铁车站研究时，可重点关注此范围内刚度变化对结构整体力学性能的影响。

　　 通过对单榫槽结构抗弯刚度进行有限元分析，可得到如下结论。

　　 1) 在轴力和弯矩共同作用下，接头抗弯刚度变化过程可分为初始平稳、缓慢下降和急剧下降3个阶段。

　　 2) 初始轴力越大，其初始平稳阶段越大。

　　 3) 试件抗弯刚度迅速下降，可认为试件失去承载能力发生破坏。

　　 4) 在急剧下降点前，接头的抗弯刚度系数为0.6～1.0，可在此范围研究接头抗弯刚度对地铁整体力学性能的影响规律。