結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)換工法結(jié)構(gòu)組合梁可行性研究

程 鵬， 高 毅， 于少輝， 李 洋

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

隨著我國(guó)城市的發(fā)展，地面空間越來(lái)越難以滿(mǎn)足現(xiàn)階段的需求，城市地下空間亟待合理的開(kāi)發(fā)利用。在城市地下空間開(kāi)發(fā)過(guò)程中，明挖法、淺埋暗挖法、盾構(gòu)法、頂管法等工法都存在施工風(fēng)險(xiǎn)高、環(huán)境影響大、適用條件受限等弊端。而結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)換工法(structural cut and convert method，簡(jiǎn)稱(chēng)“CC工法”)作為最新的工法成果，結(jié)合CRD工法分割、暗挖的理念，以及日本Harmonica工法分部施工、受力轉(zhuǎn)換的思想，特別適用于在城市已建成區(qū)的地下空間開(kāi)發(fā)。

一般情況下，CC工法建造的地下空間的主體結(jié)構(gòu)頂縱梁采用型鋼箱梁。目前，型鋼箱梁設(shè)計(jì)時(shí)常面臨著是否考慮與混凝土頂板形成組合結(jié)構(gòu)協(xié)同受力的問(wèn)題。如不考慮，將導(dǎo)致梁高增大，造價(jià)增加； 如考慮，梁高減小，但其安全性尚需討論。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)該類(lèi)情況組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[1-2]研究了鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)黏結(jié)層的剪力特性，總結(jié)了黏結(jié)層的臨界應(yīng)變及其錨固長(zhǎng)度對(duì)組合結(jié)構(gòu)的影響； 文獻(xiàn)[3]利用有限元模擬分析了鋼與混凝土組合梁的力學(xué)行為，總結(jié)出該類(lèi)組合結(jié)構(gòu)的破壞特征； 文獻(xiàn)[4]通過(guò)在試驗(yàn)中考慮梁的剪切變形，分析了界面滑移效應(yīng)對(duì)組合梁的影響； 文獻(xiàn)[5-6]基于變分方法，建立了以撓度和軸向力為基本未知量的組合梁撓度方程，論述并提出了邊界條件，并對(duì)比分析了簡(jiǎn)支梁一階與二階近似理論的差異，最終給出了組合梁柱二階分析的近似方法； 文獻(xiàn)[7]通過(guò)對(duì)組合梁彎曲變形過(guò)程黏結(jié)層滑移效應(yīng)進(jìn)行深入分析，研究了黏結(jié)層特性對(duì)組合梁的受力的影響?？傮w而言，現(xiàn)階段針對(duì)組合結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)或有限元分析研究，多假定2種材質(zhì)均為整體性較好的連續(xù)性材質(zhì)，主要研究了不同材質(zhì)界面的受力特點(diǎn)及作用機(jī)制，且其研究對(duì)象多為地面建筑或大跨度公路橋組合結(jié)構(gòu)梁，但針對(duì)地下結(jié)構(gòu)中混凝土板+鋼箱梁的組合結(jié)構(gòu)的研究較少。

由于CC工法的特殊性，其組合結(jié)構(gòu)的混凝土翼緣是相對(duì)獨(dú)立的管片，與常規(guī)的組合結(jié)構(gòu)相比受力更加復(fù)雜。因此，本文在原有研究的基礎(chǔ)上，依托CC工法的首次工程試驗(yàn)，研究CC工法頂縱梁型鋼箱梁與混凝土頂板按協(xié)同受力的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，以期為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)、施工提供設(shè)計(jì)思路和優(yōu)化方向。

1 CC工法原理

采用機(jī)械化施工代替?zhèn)鹘y(tǒng)勞動(dòng)密集的人工施工是地下工程施工的趨勢(shì)，但現(xiàn)有的盾構(gòu)、頂管機(jī)機(jī)械施工技術(shù)，無(wú)法一次掘進(jìn)就完成地下停車(chē)場(chǎng)、地下綜合商業(yè)體等大型地下空間工程。CC工法針對(duì)大型地下空間工程的標(biāo)準(zhǔn)斷面，分割為易于施工的小型斷面，多次掘進(jìn)施工，完成各條單個(gè)隧道后，再轉(zhuǎn)換成大型的地下空間。

CC工法可借用某單層3跨的結(jié)構(gòu)對(duì)該工法的原理和特點(diǎn)進(jìn)行闡述。取該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可把結(jié)構(gòu)分割成如圖1所示的形式。

圖1 結(jié)構(gòu)分割

把分割后結(jié)構(gòu)與臨時(shí)結(jié)構(gòu)組成特殊管片結(jié)構(gòu)來(lái)完成分部結(jié)構(gòu)的施工，如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換(Ⅰ)

各隧道施工完畢后，在內(nèi)部空間施作梁柱等結(jié)構(gòu)體系，形成最終結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換(Ⅱ)

采用 CC工法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割，使其能滿(mǎn)足盾構(gòu)或頂管分部施工的條件，再把各分部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為最終需要的空間。

2 對(duì)實(shí)際工程的思考

在中鐵工程裝備的地下停車(chē)場(chǎng)項(xiàng)目中，科研團(tuán)隊(duì)對(duì)CC工法進(jìn)行了首次驗(yàn)證，該停車(chē)場(chǎng)項(xiàng)目為地下單層5柱6跨的框架結(jié)構(gòu)。整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程僅占用2個(gè)工作井，共用時(shí)8個(gè)月。地下車(chē)庫(kù)的結(jié)構(gòu)斷面如圖4所示。

圖4 地下停車(chē)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

該項(xiàng)目首先采用組合式管節(jié)完成各分部結(jié)構(gòu)的施工，形成地下停車(chē)場(chǎng)的輪廓，再在內(nèi)部施作型鋼梁、柱。組合式管節(jié)如圖5所示。

內(nèi)部縱梁雖然為鋼結(jié)構(gòu)箱梁，但設(shè)計(jì)未考慮混凝土翼板的組合作用，按獨(dú)立鋼梁進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際施工過(guò)程中存在以下問(wèn)題：

1)鋼梁的計(jì)算截面過(guò)高。整個(gè)車(chē)庫(kù)的凈高受制于梁高，為滿(mǎn)足凈高要求，需增大結(jié)構(gòu)斷面。

2)工序繁瑣。鋼箱梁現(xiàn)場(chǎng)拼接時(shí)，存在大量的腹板、翼緣焊接工作。

3)施工工效低。鋼梁上翼緣的對(duì)接焊縫為仰焊施工，施工難度高，施工效率低。試驗(yàn)工程中梁、柱施工如圖6所示。

鑒于以上問(wèn)題，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，能否參考疊合結(jié)構(gòu)，即二次施作的型鋼梁與先施作的混凝土頂板按組合梁設(shè)計(jì)，是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。若設(shè)計(jì)為疊合結(jié)構(gòu)，可優(yōu)化型鋼尺寸，節(jié)省工程投資。

(a)

(b)

(a)

(b)

3 組合梁的構(gòu)造特點(diǎn)

鋼與混凝土組合梁混凝土翼緣與鋼梁接觸面之間存在縱向剪力，要保證混凝土與鋼梁共同工作，必須保證二者不發(fā)生相對(duì)滑移，因此在接觸面要設(shè)置抗剪連接件，主要用來(lái)承受鋼筋混凝土翼板與鋼梁接觸面之間的縱向剪力，控制二者之間的相對(duì)滑移。常見(jiàn)的組合梁形式見(jiàn)圖7。

(a) 混凝土組合梁

(b) 型鋼板組合梁

(c) 疊合板組合梁

針對(duì)組合梁的受力機(jī)制，文獻(xiàn)[8]建立了組合梁的一階和二階控制方程，分析了壓彎狀態(tài)下的簡(jiǎn)支組合梁的力學(xué)特性；文獻(xiàn)[9]對(duì)鋼-混凝土組合梁在界面滑移與剪切變形雙重影響下的變形與應(yīng)力進(jìn)行了研究; 文獻(xiàn)[10]對(duì)組合梁鋼與混凝土板之間相對(duì)滑移和栓釘受力的關(guān)系進(jìn)行了深入研究;文獻(xiàn)[11]基于組合梁的一維數(shù)學(xué)模型，研究了均布載荷作用下簡(jiǎn)支條件下的撓度曲線，并與有限元解進(jìn)行了對(duì)比分析;文獻(xiàn)[12]給出了鋼-混凝土組合簡(jiǎn)支梁在均布荷載作用下的撓度變形理論計(jì)算公式;文獻(xiàn)[13]通過(guò)在組合梁的界面層設(shè)置假想的剪切薄層,依靠臨界面的剪切變形模擬鋼板與混凝土板之間的相對(duì)滑移,建立考慮滑移效應(yīng)的鋼-混凝土組合板模型,并推導(dǎo)其解析解。

在實(shí)際工程中，組合梁的計(jì)算方法通常分為2類(lèi)：

1)如果抗剪連接件的抗剪承載力足夠符合充分發(fā)揮組合梁抗彎承載力的要求。組合梁設(shè)計(jì)可按簡(jiǎn)單塑性理論形成塑性鉸的假定來(lái)計(jì)算組合梁的抗彎承載能力。

2)如果抗剪連接件的設(shè)置受構(gòu)造等原因影響,不能全部配置，因而不足以承擔(dān)最大彎矩點(diǎn)和臨近支座之間剪跨區(qū)段內(nèi)所需的縱向水平剪力時(shí)，可采用部分抗剪連接設(shè)計(jì)[14]。

為了保證部分抗剪連接的組合梁能有較好的工作性能，在任一剪跨區(qū)內(nèi)，部分抗剪連接時(shí)連接件的數(shù)量不得少于按完全抗剪連接設(shè)計(jì)時(shí)該剪跨區(qū)內(nèi)所需抗剪連接件總數(shù)的50%。否則，將按單根鋼梁計(jì)算，不考慮組合作用。

4 試驗(yàn)工程組合梁的可行性分析

組合梁的黏結(jié)層界面特性是組合梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)于實(shí)際試驗(yàn)工程的混凝土+鋼箱梁的結(jié)構(gòu)形式，能否按組合梁設(shè)計(jì)，首先要分析黏結(jié)層的界面特性。

4.1 可行性分析

在實(shí)際試驗(yàn)工程中，永久結(jié)構(gòu)的頂縱梁采用的是鋼箱梁，設(shè)計(jì)過(guò)程中未考慮混凝土翼板的組合作用，按獨(dú)立鋼梁進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)工程的頂縱梁如圖8所示。

(a)

(b)

隨著用于橋梁的組合梁的發(fā)展，組合梁上翼緣已有可采用預(yù)制混凝土板或部分預(yù)制的疊合板來(lái)代替現(xiàn)澆混凝土板的工程案例[15]。采用預(yù)制混凝土板上翼緣可以簡(jiǎn)化施工工藝，縮短施工工期，減小施工對(duì)周?chē)h(huán)境的不利影響。用于橋梁的組合橋梁如圖9所示。

對(duì)比橋梁組合梁的特點(diǎn)，CC工法的縱梁與橋梁的組合梁有共同的特點(diǎn)：

1)組合梁的上翼緣是預(yù)制構(gòu)件，通過(guò)縱向連接件連接成整體；

2)型鋼梁通過(guò)抗剪鍵與混凝土上翼緣連接，形成整體共同受力。

根據(jù)第3節(jié)的分析，如果抗剪連接件的抗剪承載力滿(mǎn)足或部分滿(mǎn)足發(fā)揮組合梁抗彎承載力的要求時(shí)，可考慮混凝土翼緣的組合作用。

(a) 混凝土組合梁橋

(b) 預(yù)應(yīng)力組合梁橋

型鋼梁與混凝土翼板交界面的縱向剪力以彎矩絕對(duì)值最大點(diǎn)及支座為界限，劃分若干剪跨區(qū)計(jì)算，如圖10所示。各剪跨區(qū)縱向剪力

Vs=min{Aafa,fcbehc1}[16]。

(1)

式中：Aa為鋼梁截面面積；fa為鋼梁的抗拉、抗壓設(shè)計(jì)值；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；be為組合梁混凝土翼板的有效寬度；hc1為組合梁混凝土翼板的厚度。

圖10 剪跨區(qū)示意圖

影響抗剪承載力的主要因素有螺栓的直徑d、混凝土的彈性模量Ec、混凝土的強(qiáng)度等級(jí)fc?？紤]可靠度的因素后，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)折減系數(shù)一般取為0.85，因此得到螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值

(2)

CC工法的縱梁能否按組合梁設(shè)計(jì)，需要根據(jù)預(yù)留在混凝土頂板中的螺栓剛度來(lái)具體分析(預(yù)留螺栓見(jiàn)圖8)。如混凝土翼板預(yù)留的螺栓可以或部分滿(mǎn)足交界面的縱向剪力，則可按組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.2 關(guān)鍵構(gòu)造措施

抗剪連接件是混凝土翼板與鋼板梁共同工作的基礎(chǔ)，它是用來(lái)承受混凝土翼板與鋼梁接觸面之間的縱向剪力，限制二者之間的相對(duì)滑動(dòng)。抗剪連接件的形式有栓釘、螺栓、鋼筋等。常見(jiàn)的抗剪連接件形式如圖11所示。

(a) 鋼筋抗剪件

(b) 型鋼抗剪件

對(duì)于組合梁的鋼結(jié)構(gòu)部分，寬而薄的板件可能局部失穩(wěn)，導(dǎo)致鋼梁的承載力下降。因此需限制型鋼梁的翼緣、腹板寬厚比。但對(duì)于板件寬厚比的限制主要是針對(duì)連續(xù)組合梁的負(fù)彎矩截面，對(duì)于正彎矩截面，鋼部件以受拉為主，基本上不存在局部失穩(wěn)的問(wèn)題。

混凝土翼緣部分縱向的連接措施： 常規(guī)組合梁混凝土翼緣部分縱筋通長(zhǎng)布置。由于CC工法的特殊性，混凝土翼緣為一塊塊獨(dú)立的板，采用縱向連接螺栓連接，整體性不如現(xiàn)澆板和疊合板。在組合梁正彎矩區(qū)，混凝土翼緣受壓，影響不大。但在負(fù)彎矩區(qū)，因混凝土翼緣傳遞拉力能力降低，會(huì)使整個(gè)截面的型鋼受壓區(qū)高度相較普通組合梁增加，型鋼梁的應(yīng)力增大。組合梁的法向應(yīng)力分布如圖12所示。

圖12 組合梁截面法向應(yīng)力

抗剪連接件、型鋼構(gòu)件的局部穩(wěn)定性以及混凝土翼緣的連接措施是CC工法采用組合梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

5 實(shí)際數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對(duì)比

該試驗(yàn)工程縱梁的理論彎矩值如圖13所示。

在確定剪跨區(qū)剪力時(shí)，比較型鋼與混凝土2種材質(zhì)的剪力，取其小值。對(duì)于混凝土頂板，受壓翼緣的寬度可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取為l/3(l為梁跨度)。

對(duì)于型鋼，Vs=Aafa=60 400×300=18 120 kN；對(duì)于混凝土，Vs=fcbehc1=19.1×1 700×500=16 235 kN。

預(yù)埋M24螺栓的單根抗剪強(qiáng)度

(a) 組合梁彎矩圖(整體)

(b) 組合梁彎矩圖(單根梁)(單位： kN·m)

經(jīng)計(jì)算可以得出，每個(gè)剪跨區(qū)需要預(yù)留的M24螺栓數(shù)為106根。每環(huán)管節(jié)頂板需要預(yù)留的螺栓數(shù)目約為30根。

在試驗(yàn)工程中，根據(jù)型鋼縱梁的應(yīng)力片，得到1組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；然后與按組合梁理論計(jì)算的應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖14所示。

圖14 頂縱梁的理論與實(shí)測(cè)數(shù)值對(duì)比

通過(guò)圖14的數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與理論值的變化趨勢(shì)是相同的，型鋼梁按組合梁考慮是合理的。但鋼梁的實(shí)測(cè)應(yīng)力大于理論值，經(jīng)分析有以下原因：

1)因現(xiàn)場(chǎng)頂板每環(huán)預(yù)留的螺栓為20根，作為組合梁考慮時(shí)，型鋼縱梁所承擔(dān)的荷載要大于理論計(jì)算。

2)混凝土頂板的整體性不強(qiáng)，相鄰管節(jié)頂僅靠螺栓連接，其作為組合梁的翼緣的作用被削減。

3)因結(jié)構(gòu)模型首跨與尾跨的支點(diǎn)按鉸接考慮，故首跨與尾跨的實(shí)測(cè)彎矩均小于理論值。

6 結(jié)論與建議

1)CC工法實(shí)體工程中型鋼縱梁未考慮混凝土翼緣的有利作用，但通過(guò)數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，按組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可行的。

2)混凝土翼緣與鋼梁接觸面之間存在縱向剪力，要保證混凝土與鋼梁共同工作，必須保證二者不發(fā)生相對(duì)滑移。因此，在接觸面要設(shè)置抗剪連接件，主要用來(lái)承受鋼筋混凝土翼板與鋼梁接觸面之間的縱向剪力，控制二者之間的相對(duì)滑移。

3)應(yīng)采取措施防止型鋼構(gòu)件局部失穩(wěn)。寬而薄的板件可能局部失穩(wěn)，導(dǎo)致鋼梁的承載力下降，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中需限制型鋼梁的翼緣、腹板寬厚比。

4)混凝土頂板的整體性不強(qiáng)，相鄰管節(jié)頂僅靠螺栓連接，在負(fù)彎矩區(qū)，因混凝土翼緣傳遞拉力能力降低，會(huì)使整個(gè)截面的型鋼受壓區(qū)高度相較普通組合梁增加，型鋼梁的應(yīng)力增大。

5)本文未深入研究分塊預(yù)制頂板對(duì)于組合梁的受力影響。在后續(xù)的類(lèi)似工程中，可繼續(xù)深入研究此類(lèi)混凝土預(yù)制構(gòu)件與型鋼梁的受力機(jī)制，分析其協(xié)同變形、分塊預(yù)制頂板對(duì)組合梁受力行為的影響。