裝配式蓋板涵構(gòu)件搭接強(qiáng)度分析

寇宏剛, 馬 強(qiáng)， 母進(jìn)偉， 鄭俊杰

(1. 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030006;2. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074;3. 貴州省公路工程集團(tuán)總公司， 貴州 貴陽(yáng) 550008)

目前，關(guān)于涵洞的研究多集中于預(yù)制卵形涵洞以及現(xiàn)澆混凝土涵洞。楊建華[1]分析了卵形涵洞的受力特征及優(yōu)化軸線；張發(fā)祥[2]分析了拱形涵洞的內(nèi)力特征；康佐等[3]通過離心模型分析了現(xiàn)澆涵洞的病害機(jī)理；馮居中[4]研究了管涵的土壓力特征；陳保國(guó)等[5,6]通過數(shù)值模擬分析了現(xiàn)澆蓋板涵和拱涵的內(nèi)力特征及地基處理效果對(duì)內(nèi)力特征影響。對(duì)于現(xiàn)澆填埋式混凝土涵洞，我國(guó)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定必須待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后，方可進(jìn)行涵周路堤的填筑[7]，因而公路建設(shè)的總體進(jìn)度大大受到影響。為縮短涵洞工程的建設(shè)工期，加快公路建設(shè)進(jìn)度，混凝土涵洞預(yù)制裝配施工方法成為很好的選擇。但是，當(dāng)前關(guān)于裝配式涵洞的研究卻極少[8]，致使裝配式涵洞的設(shè)計(jì)和施工缺少足夠的依據(jù)。本文通過有限元法對(duì)裝配式蓋板涵進(jìn)行了分析，重點(diǎn)分析裝配式蓋板涵構(gòu)件搭接強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，為裝配式涵洞的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 裝配式蓋板涵

1.1 施工流程簡(jiǎn)介

裝配式蓋板涵首次在貴州省惠(水)興(仁)高速公路第七合同段得以應(yīng)用，蓋板涵斷面如圖1所示。預(yù)制裝配施工流程簡(jiǎn)介如下：(1) 現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)上表面預(yù)留5 cm高的凹槽用于擱置涵臺(tái)；(2) 涵臺(tái)、臺(tái)帽和蓋板在預(yù)制廠集中預(yù)制；(3) 待基礎(chǔ)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%之后，將涵臺(tái)、臺(tái)帽、蓋板運(yùn)至涵洞工程所在位置；(4) 涵臺(tái)和臺(tái)帽安裝。將涵臺(tái)靠凹槽邊緣就位安裝。臺(tái)帽安裝于涵臺(tái)之上，并用C25自密實(shí)混凝土座漿5 cm厚進(jìn)行粘結(jié)；(5) 蓋板安裝。

在貴州惠興高速公路第七合同段利用該方法施工的蓋板涵共15座，其共同特征是涵臺(tái)較高且跨度較大，凈高和凈跨達(dá)到4m×4m(如圖1所示)。

圖1 蓋板涵洞裝配斷面示意/mm

1.2 存在的問題

與現(xiàn)澆蓋板涵相比，裝配式蓋板涵結(jié)構(gòu)的整體性較差，其構(gòu)件搭接強(qiáng)度是否滿足要求是一個(gè)關(guān)鍵問題。裝配式蓋板涵的構(gòu)件搭接部位為：臺(tái)帽與涵臺(tái)的搭接和涵臺(tái)與基礎(chǔ)的搭接，如圖1所示。如果這兩處搭接部位強(qiáng)度不足，就可能導(dǎo)致涵洞結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。當(dāng)然搭接部位的局部破壞也是不允許的。下面做進(jìn)一步分析。

裝配式蓋板涵的臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接采用C25混凝土座漿粘結(jié)，先后澆筑的混凝土粘結(jié)抗剪強(qiáng)度受多種因素影響[9～11]，如是否植筋、鑿毛等，總之較整體澆筑混凝土抗剪強(qiáng)度低。在側(cè)向土壓力作用下，涵臺(tái)和臺(tái)帽之間的橫向剪切作用可能造成該處搭接的剪切破壞。本文模型的涵洞搭接處采用鑿毛方案。依據(jù)文獻(xiàn)[12]研究結(jié)果，搭接處抗剪強(qiáng)度為同等級(jí)混凝土抗剪強(qiáng)度的67%。

涵臺(tái)直接擱置在基礎(chǔ)頂部與基礎(chǔ)搭接，初步設(shè)計(jì)方案為在基礎(chǔ)頂部設(shè)計(jì)了深度為5 cm的擱置凹槽。在側(cè)向土壓力作用下，如直接擱置于基礎(chǔ)頂部的涵臺(tái)發(fā)生大的水平位移，將引起涵洞結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。另外，涵臺(tái)對(duì)凹槽的作用會(huì)引起凹槽局部應(yīng)力集中，如果凹槽局部強(qiáng)度不足，會(huì)影響到涵洞的正常使用。

2 有限元分析

2.1 計(jì)算模型的建立

涵洞問題可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析，有限元模型幾何尺寸如圖1所示。涵頂填土高度H=12 m，將填土簡(jiǎn)化為線性荷載作用于涵體。路堤填土的重度γ=18 kN/m3?；炷敛牧线x用線彈性模型，參數(shù)見表1。

表1 蓋板涵洞各構(gòu)件材料參數(shù)

采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格邊線的尺寸約為0.1 m，同時(shí)應(yīng)用縮減積分單元。涵臺(tái)與基礎(chǔ)之間的法向接觸采用“硬接觸”模型，切向作用采用罰函數(shù)摩擦模型。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

（1）Hofstede（1990）量表。他從人類文化學(xué)的角度對(duì)企業(yè)文化做了深入的探討，構(gòu)建了由企業(yè)價(jià)值觀和實(shí)踐兩部分組成的企業(yè)文化量表，其中價(jià)值觀是核心，具有三個(gè)維度，分別是安全需要、關(guān)注工作和權(quán)力需求；實(shí)踐部分則由六個(gè)獨(dú)立的成對(duì)維度組成，分別是過程導(dǎo)向-結(jié)果導(dǎo)向、員工導(dǎo)向-工作導(dǎo)向、本地化-專業(yè)化、開放-封閉、控制松散-控制嚴(yán)格、規(guī)范化-實(shí)用化。全套問卷共有135道題目，通過實(shí)證研究，Hofstede認(rèn)為不同組織間的企業(yè)文化主要是由其習(xí)慣決定的，價(jià)值觀層面的差異較小。

(1) 基礎(chǔ)頂部不設(shè)凹槽

如基礎(chǔ)頂部不設(shè)涵臺(tái)放置凹槽，即Δh=0，可通過考察涵臺(tái)內(nèi)側(cè)邊線的水平位移來分析涵洞的穩(wěn)定性，即圖1中的B邊水平位移?？紤]到涵臺(tái)與基礎(chǔ)之間的切向作用不明確，在分析中將摩擦系數(shù)取為0、0.1、0.2和0.3。模型計(jì)算得到涵臺(tái)B邊水平位移如圖2所示。

圖2 涵臺(tái)水平位移

由圖2可以看出，涵臺(tái)與基礎(chǔ)之間界面摩擦系數(shù)從0變化為0.3時(shí)，涵臺(tái)的位移都很小，這說明涵洞結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)楹_(tái)的滑移而失穩(wěn)。不同摩擦系數(shù)時(shí)，涵臺(tái)的水平位移差異也不大，這表明，涵臺(tái)與基礎(chǔ)之間的摩擦作用對(duì)涵臺(tái)穩(wěn)定性的影響不明顯。

(2) 基礎(chǔ)頂部設(shè)凹槽

當(dāng)基礎(chǔ)頂部設(shè)2 cm或5 cm深凹槽時(shí)，涵臺(tái)與基礎(chǔ)之間摩擦系數(shù)取為0.1。計(jì)算得到涵臺(tái)B邊水平位移如圖3所示。

圖3 不同凹槽的涵臺(tái)水平位移

由圖3可以看出，涵臺(tái)水平位移極小，凹槽嚴(yán)格限制了涵臺(tái)的水平位移。而不設(shè)凹槽時(shí)，涵臺(tái)水平位移相對(duì)較大，而該位移量的絕對(duì)數(shù)值不是很大。

2.2.2臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接強(qiáng)度分析

(1) 基礎(chǔ)頂部不設(shè)凹槽

基礎(chǔ)頂部不設(shè)凹槽時(shí)，模型計(jì)算得到臺(tái)帽與涵臺(tái)的搭接處剪應(yīng)力如圖4所示。

圖4 臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接處剪應(yīng)力

τmax<[τ]

(1)

式中，τmax為最大剪應(yīng)力；[τ]為混凝土抗剪強(qiáng)度。查《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.2條，可知C25混凝土抗剪強(qiáng)度容許應(yīng)力為[τ]=2.0 MPa。當(dāng)填土高度H=12 m時(shí)，有臺(tái)帽與涵臺(tái)間界面最大剪應(yīng)力0.35 MPa<2.0 MPa×67%。式中67%是文獻(xiàn)[12]提出的先、后澆筑混凝土界面的強(qiáng)度折減系數(shù)?？梢?，臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接處強(qiáng)度是滿足要求的，不會(huì)發(fā)生剪切破壞。如果按照安全系數(shù)法：

F=[τ]/τmax

(2)

計(jì)算搭接處抗剪安全系數(shù)，則有：

因此，基礎(chǔ)頂部不設(shè)凹槽時(shí)，臺(tái)帽與涵臺(tái)的搭接強(qiáng)度儲(chǔ)備是足夠的。其他填土高度情況類似。

(2) 基礎(chǔ)頂部設(shè)凹槽

涵臺(tái)與基礎(chǔ)之間摩擦系數(shù)取0.1，基礎(chǔ)頂部凹槽深度設(shè)計(jì)為0 cm、2 cm和5 cm時(shí)，計(jì)算得到臺(tái)帽與搭接處剪切應(yīng)力如圖5所示。

圖5 不同凹槽深度時(shí)臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接處剪應(yīng)力

由圖5可看出，同一填土高度下，臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接處剪應(yīng)力分布不均勻。填土高度H=12 m時(shí)，最大剪應(yīng)力為0.40 MPa。如按照式(1)判斷臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接強(qiáng)度是否滿足要求，則當(dāng)凹槽深度為5 cm時(shí)，有0.40 MPa<2.0 MPa×67%，這表明臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接處強(qiáng)度是滿足要求的。如果依據(jù)安全系數(shù)法的式(2)進(jìn)行考察，則有：

因此，當(dāng)基礎(chǔ)頂部設(shè)凹槽時(shí)，臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接強(qiáng)度的安全儲(chǔ)備是足夠的。

2.2.3基礎(chǔ)頂部凹槽局部強(qiáng)度分析

涵臺(tái)對(duì)凹槽的作用造成凹槽局部應(yīng)力集中，如凹槽局部強(qiáng)度不足，會(huì)影響到涵洞的正常使用。涵臺(tái)與基礎(chǔ)間的摩擦系數(shù)取0.1，得到不同填土高度情況下凹槽局部最大主應(yīng)力如圖6所示。

圖6 凹槽最大主應(yīng)力

由圖6可看出，凹槽深度為5 cm時(shí)，應(yīng)力先減小，后逐漸增大。凹槽深度為2 cm時(shí)也有同樣的規(guī)律。當(dāng)凹槽深5 cm時(shí)，填土高度4 m到5 m之間時(shí)，最大主應(yīng)力出現(xiàn)最小值；而凹槽2 cm時(shí)，最大主應(yīng)力最小值出現(xiàn)在12 m到13 m之間。

根據(jù)第一強(qiáng)度準(zhǔn)則[14]判定凹槽局部強(qiáng)度，填土高度12 m且槽深2 cm時(shí)，最大剪應(yīng)力為0.375 MPa<2.0 MPa?？梢?，凹槽局部強(qiáng)度是滿足要求的。如果按照安全系數(shù)的方法考察，則：

因此，凹槽局部強(qiáng)度儲(chǔ)備是足夠的。為了考察凹槽局部的強(qiáng)度儲(chǔ)備規(guī)律，計(jì)算得到填土高度1 m到15 m的凹槽局部安全系數(shù)，如圖7所示。

圖7 凹槽局部安全系數(shù)

由圖7可以看出，在填土高度變化的情況下，凹槽局部安全系數(shù)最小為3.4。可見凹槽局部強(qiáng)度的儲(chǔ)備是足夠的。

3 結(jié) 論

本文建立了基礎(chǔ)頂部不設(shè)涵臺(tái)擱置凹槽、設(shè)2 cm深凹槽和設(shè)5 cm深凹槽的三個(gè)裝配式蓋板涵有限元模型，分析了蓋板涵結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性、臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接處強(qiáng)度及基礎(chǔ)頂部凹槽局部強(qiáng)度。得到了以下主要結(jié)論：

(1) 無(wú)論基礎(chǔ)頂部是否設(shè)凹槽，臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接強(qiáng)度均滿足要求，不會(huì)發(fā)生剪切破壞，涵洞結(jié)構(gòu)也是穩(wěn)定的。

(2) 當(dāng)基礎(chǔ)頂部凹槽深度為2 cm或5 cm時(shí)，凹槽局部應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，但凹槽局部強(qiáng)度及儲(chǔ)備均滿足要求。

(3) 參數(shù)分析表明，涵臺(tái)與基礎(chǔ)之間的摩擦作用對(duì)涵洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響不大。

[1] 楊建華. 預(yù)制裝配式拱涵受力特性有限元分析[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 30(5): 566-569.

[2] 張發(fā)祥. 拱形涵洞的受力分析和選型[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào), 1995, 23(3): 58-63.

[3] 康 佐, 謝永利, 馮居忠，等. 應(yīng)用離心模型試驗(yàn)分析涵洞病害機(jī)理[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2006, 28(6): 784-788.

[4] 馮居忠. 大型溝埋式蛋型管道土壓力的非線性有限元分析[J]. 西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào), 1996, 16(4): 23-27.

[5] 陳保國(guó), 駱瑞萍, 孫金山. 上埋式蓋板涵受力特性及影響因素研究[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(1): 199-206.

[6] 陳保國(guó), 孫金山. 張 磊. 上埋式鋼筋混凝土拱涵受力特性及地基處理研究[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(5): 1500-1506.

[7] 鄭俊杰, 羅德丕, 馬 強(qiáng)，等. 裝配式蓋板涵受力特性及構(gòu)件搭接處的強(qiáng)度分析[J]. 土木工程與管理學(xué)報(bào), 2012, 29(1): 1-4.

[8] JTG B01-2003，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[9] 張曉光, 陳澤赳, 劉 星, 等. 新舊混凝土結(jié)合面抗剪性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J]. 結(jié)構(gòu)工程師, 2010, 26(6): 70-75.

[10] 胡鐵軍, 黃承陵, 陳小鋒. 構(gòu)造鋼筋影響下的新老混凝土結(jié)合面抗剪試驗(yàn)研究[J]. 混凝土, 2009，(3): 26-28.

[11] 張雷順, 閆國(guó)新, 張曉磊. 新老混凝土切槽法結(jié)合面抗剪性能試驗(yàn)研究分析[J]. 工業(yè)建筑, 2007, (6): 101-103.

[12] 袁 群, 劉 健. 新老混凝土粘結(jié)的剪切強(qiáng)度研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2001, 22(20): 46-50.

[13] JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[14] 孫訓(xùn)方, 方孝淑, 關(guān)來泰. 材料力學(xué)(I)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002.