考慮套筒灌漿缺陷影響地鐵車站裝配式軌頂風道力學性能研究

劉伯成，丁謇，莫振澤，楊湉，梅君，李炳辰，張永興

考慮套筒灌漿缺陷影響地鐵車站裝配式軌頂風道力學性能研究

劉伯成1，丁謇1，莫振澤1，楊湉1，梅君2，李炳辰3，張永興3

(1. 無錫地鐵集團有限公司，江蘇 無錫 214131；2. 上海隧道工程股份有限公司，上海 200232；3. 南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210037)

為掌握套筒灌漿缺陷對地鐵車站裝配式軌頂風道影響，采用有限元數(shù)值模擬，選取套筒灌漿端部缺陷、中部缺陷、底部缺陷及鋼筋偏心缺陷等四種常見缺陷，研究存在套筒灌漿缺陷裝配式軌頂風道力學性能及鋼筋螺栓應(yīng)力變化。研究結(jié)果表明：采用套筒灌漿連接的裝配式軌頂風道，套筒灌漿連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，鋼套筒及灌漿料所受拉應(yīng)力由頂部向底部逐漸增大；與無套筒灌漿缺陷情形類似，套筒灌漿缺陷對軌頂風道變形影響較??；存在套筒灌漿底部缺陷的套筒灌漿連接邊緣處應(yīng)力甚至大于混凝土抗拉強度，致使套筒灌漿連接周邊混凝土易出現(xiàn)破壞，影響結(jié)構(gòu)安全。研究成果可為套筒灌漿連接在地鐵車站預制裝配式軌頂風道建設(shè)中的應(yīng)用提供參考。

地鐵車站；軌頂風道；套筒灌漿連接；灌漿缺陷；力學性能

為實現(xiàn)工程建設(shè)產(chǎn)業(yè)升級與可持續(xù)發(fā)展，國內(nèi)外已將預制裝配技術(shù)作為其主要發(fā)展方向[1?3]。采用預制裝配技術(shù)進行地下工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工，可以提高地下工程建設(shè)工業(yè)化程度，并已用于盾構(gòu)等地鐵工程的區(qū)間隧道裝配式結(jié)構(gòu)[4?6]。鋼套筒灌漿作為預制裝配建筑施工關(guān)鍵工藝，常用于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件及水平構(gòu)件的連接[7?8]。然而，套筒灌漿連接施工易出現(xiàn)漏漿脫空等質(zhì)量缺陷，影響連接處受力性能以及結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性[9?10]。較多學者進行了鋼套筒灌漿質(zhì)量對裝配式構(gòu)件力學性能影響相關(guān)研究：鄭清林等[11]基于70個半灌漿套筒試件單向拉伸試驗，研究各類灌漿缺陷對鋼套筒灌漿試件破壞形態(tài)、承載力和變形性能影響；唐和生等[12]建立考慮缺陷影響的裝配式混凝土柱有限元模型，分析循環(huán)荷載作用下灌漿缺陷對裝配式混凝土柱性能影響；鄭清林等[13]進行裝配式混凝土柱擬靜力試驗，研究套筒內(nèi)部灌漿缺陷對裝配式構(gòu)件抗震性能影響。本文以某地鐵車站鋼筋混凝土軌頂風道預制裝配為例，基于有限元分析，研究套筒灌漿端部缺陷、中部缺陷、底部缺陷及鋼筋偏心缺陷對地鐵車站裝配式軌頂風道力學性能及鋼筋螺栓應(yīng)力分布等影響，為套筒灌漿連接在地鐵車站預制裝配式軌頂風道建設(shè)應(yīng)用提供參考。

1 地鐵車站裝配式軌頂風道概況

某地鐵車站為地下二層島式車站，跨道路與高架橋交匯路口(圖1)。車站外包長度181 m，標準段外包寬度19.7 m，基坑深度15.8 m，覆土厚度3 m，基坑與高架橋墩距離最近11 m，高架下方部分站體采用逆做頂板施工，其余部分均采用明挖法施工。

該地鐵車站軌頂風道懸掛于車站中板與結(jié)構(gòu)側(cè)墻交接處，采用預制鋼筋混凝土構(gòu)件進行裝配施工：地面預制后吊運至地鐵車站內(nèi)部，經(jīng)水平運輸至安裝位置，并進行托舉頂升拼裝。裝配式軌頂風道采用鋼筋混凝土，共33件用于拼裝的單塊構(gòu)件，每構(gòu)件均包括底板、高墻、低墻(如圖2所示)，懸掛于車站中板和結(jié)構(gòu)側(cè)墻交接位置。此外，預制軌頂風道構(gòu)件混凝土等級為C35，保護層厚度為30 mm，配筋如表1所示。

圖1 地鐵車站平面布置圖

表1 預制軌頂風道配筋

圖2 單塊構(gòu)件及裝配節(jié)點

2 裝配式軌頂風道解析模型

為分析套筒灌漿缺陷對地鐵車站裝配式軌頂風道力學性能的影響，采用有限元分析，解析無套筒灌漿缺陷軌頂風道鋼筋螺栓、套筒等應(yīng)力分布，并分析存在套筒灌漿缺陷軌頂風道鋼筋螺栓及螺栓孔洞應(yīng)力分布。單塊構(gòu)件計算模型如圖3 所示。

圖3 單塊構(gòu)件模型

混凝土、灌漿料、螺栓及套筒均采用實體單元，鋼筋采用可與實體網(wǎng)格自動耦合的鋼筋單元，墊塊、螺母、混凝土考慮接觸作用，鋼材間的界面摩擦系數(shù)取0.45，混凝土與鋼材界面摩擦因數(shù)取0.6[14]，且鋼材與混凝土體界面考慮粘結(jié)滑移特性。灌漿料拌合物具有自流性好、高強度、無收縮、易施工等特性，實測C40級灌漿料抗壓強度、抗拉強度分別為30.0 MPa和2.3 MPa。軌頂風道配筋采用表1所示參數(shù)，材料參數(shù)見表2。此外，裝配式軌頂風道施加1.2 kN/m2風壓荷載和2 kN/m2內(nèi)部檢修荷載[15]。

表2 材料參數(shù)

3 軌頂風道力學性能解析

3.1 無灌漿缺陷軌頂風道力學性能

3.1.1 軌頂風道內(nèi)部應(yīng)力

圖4分別為無套筒灌漿缺陷風道單塊構(gòu)件與拼裝構(gòu)件應(yīng)力分布。從圖4可見，預制單塊構(gòu)件和拼裝構(gòu)件均受拉應(yīng)力，風道應(yīng)力呈對稱分布且應(yīng)力由中間向兩側(cè)逐漸遞減，單塊構(gòu)件最大應(yīng)力為0.6 MPa，拼裝件最大拉應(yīng)力為1.5 MPa，低于混凝土抗拉強度。此外，套筒灌漿連接處應(yīng)力較大、出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力位于套筒灌漿連接邊緣處。

圖4 軌頂風道應(yīng)力分布

圖5為鋼套筒灌漿連接應(yīng)力分布。鋼筋螺栓最大應(yīng)力位于螺栓中部，為4.2 MPa(位于螺栓中部)，遠小于螺栓抗拉強度。此外，鋼套筒所受拉應(yīng)力由頂部向底部逐漸增大，套筒底部應(yīng)力最大(2.8 MPa)，但小于鋼套筒抗拉強度。灌漿料所受拉應(yīng)力較小，底部拉應(yīng)力最大(0.8 MPa)，低于C40級灌漿料抗拉強度。

3.1.2 軌頂風道變形

圖6為施加重力荷載、風荷載及內(nèi)部檢修荷載條件下鋼筋灌漿套筒位移分布。從圖6可見，鋼筋灌漿套筒連接構(gòu)件最大變形位于鋼筋螺栓底部與風道粘結(jié)處(位移值為0.02 mm)，最小變形位于鋼管與灌漿料處。此外，低墻處螺栓中部到底部變形相較于高墻處變形增加。

圖5 鋼套筒灌漿連接應(yīng)力

圖6 鋼套筒灌漿連接位移分布

3.2 存在灌漿缺陷軌頂風道力學性能

實際施工中，氣泡、堵塞、漏漿等原因均可能導致灌漿缺陷的出現(xiàn)，影響構(gòu)件甚至結(jié)構(gòu)性能。本文主要分析存在灌漿條件下缺陷軌頂風道力學性能。圖7為存在套筒端部缺陷、套筒中部缺陷、套筒底部缺陷及套筒鋼筋偏心缺陷4種情形，灌漿缺陷設(shè)定為20 mm，鋼筋偏心設(shè)定為5 mm。

圖7 套筒灌漿缺陷示意圖

3.2.1 軌頂風道變形

圖8為存在灌漿缺陷軌頂風道沿水平向(圖3所示)位移。從圖中可見，灌漿料端部缺陷、中部缺陷、底部缺陷及偏心缺陷時，最大位移均出現(xiàn)于風道中部(分別為0.162，0.160，0.161和0.163 mm)。此外，存在缺陷風道位移曲線與無灌漿缺陷風道位移曲線相似，表明套筒灌漿缺陷對風道變形影響較小。

圖8 存在灌漿缺陷軌頂風道位移

3.2.2 鋼筋螺栓應(yīng)力與套筒灌漿連接應(yīng)力

圖9為存在灌漿缺陷軌頂風道鋼筋螺栓內(nèi)部應(yīng)力分布。存在灌漿缺陷情形下，鋼筋螺栓均受拉應(yīng)力作用。除灌漿底部缺陷情形外，存在套筒灌漿端部缺陷、中部缺陷、偏心缺陷情形的鋼筋螺栓最大應(yīng)力均出現(xiàn)于套筒底部(圖2)，分別為5.1，4.4和5.6 MPa。存在底部缺陷情形，鋼筋螺栓最大應(yīng)力從灌漿缺陷上移至灌漿料與鋼筋接觸處，且最大應(yīng)力為4.6 MPa。存在灌漿缺陷情形下，鋼筋螺栓應(yīng)力皆有不同程度增長，但均小于鋼筋屈服應(yīng)力。

圖9 存在灌漿缺陷鋼筋螺栓應(yīng)力分布

圖10 存在套筒灌漿缺陷的灌漿連接及兩側(cè)應(yīng)力

圖10為存在套筒灌漿缺陷的灌漿連接處(對應(yīng)于圖中水平軸100 mm)及兩側(cè)應(yīng)力。從圖中可見，存在套筒灌漿端部缺陷、中部缺陷、底部缺陷及偏心缺陷情形，套筒灌漿連接處均為拉應(yīng)力，最大應(yīng)力均位于其邊緣(分別為1.79，1.76，2.42和1.64 MPa)。存在套筒灌漿缺陷情形，套筒灌漿連接周邊應(yīng)力明顯增大、出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且套筒灌漿底部缺陷的灌漿連接邊緣處應(yīng)力達到2.42 MPa，大于所用混凝土抗拉強度，致使孔洞周邊混凝土易出現(xiàn)破壞，影響結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)論

1) 采用套筒灌漿連接的裝配式軌頂風道，套筒灌漿連接處周邊應(yīng)力明顯增大、出現(xiàn)應(yīng)力集中，鋼套筒及灌漿料所受拉應(yīng)力由頂部向底部逐漸增大。此外，與無套筒灌漿缺陷情形類似，套筒灌漿缺陷對軌頂風道變形影響較小。

2) 存在套筒灌漿底部缺陷的套筒灌漿連接邊緣處應(yīng)力可達2.42 MPa，大于該工程所采用混凝土抗拉強度，致使套筒灌漿連接周邊混凝土易出現(xiàn)破壞，影響結(jié)構(gòu)安全。因而，裝配式軌頂風道采用套筒灌漿連接，應(yīng)減少套筒灌漿缺陷，尤其須規(guī)避套筒灌漿底部缺陷。

[1] 陳久恒. 預制裝配式地鐵車站施工技術(shù)研究[J]. 鐵道建筑技術(shù), 2015(11): 62?65. CHEN Jiuheng. Construction technique of prefabricated subway station[J]. Railway Construction Technology, 2015(11): 62?65.

[2] Lago Bruno Dal. Experimental and numerical assessment of the service behaviour of an innovative long-span precast roof element[J]. International Journal of Concrete Structures and Materials, 2017, 11(2): 261?273.

[3] Lago Bruno Dal, Muhaxheri Milot, Ferrara Liberato. Numerical and experimental analysis of an innovative lightweight precast concrete wall[J]. Engineering Structures, 2017(137): 204?222.

[4] 杜宇. 全預制軌頂風道在成都地鐵2號線工程中的設(shè)計與應(yīng)用[J]. 中華民居, 2011(8): 146?148. DU Yu. Design and application of fully prefabricated rail top air channel in chengdu metro line 2 project [J]. China Homes, 2011(8): 146?148.

[5] Angelo Caratelli, Alberto Meda, Zila Rinaldi, et al. Structural behaviour of precast tunnel segments in fiber reinforced concrete[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2011(26): 284?291.

[6] Fabio Di Carlo, Alberto Meda, Zila Rinaldi. Design procedure for precast fibre-reinforced concrete segments in tunnel lining construction[J]. Structural Concrete, 2016, 17(5): 747?759.

[7] 錢稼茹, 彭媛媛, 張景明, 等. 豎向鋼套筒漿錨連接的預制剪力墻抗震性能試驗[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2011, 41(2): 1?6. QIAN Jiaru, PENG Yuanyuan, ZHANG Jingming, et al. Tests on seismic behavior of pre-cast shear walls with vertical reinforcements spliced by grout sleeves[J]. Building Structure, 2011, 41(2): 1?6.

[8] 張可凡. 裝配式建筑預制構(gòu)件的套筒灌漿技術(shù)應(yīng)用 [J]. 佳木斯大學學報(自然科學版), 2018, 36(3): 343?345. ZHANG Kefan. Application of sleeve grouting technology to prefabricated building components[J]. Journal of Jiamusi University (Natural Science Edition), 2018, 36(3): 343?345.

[9] 王永強. 裝配式建筑灌漿套筒技術(shù)質(zhì)量控制難點分析 [J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品, 2018(14): 77?78. WANG Yongqiang. Analysis of difficulties in quality control of grouting sleeve technology for prefabricated buildings[J]. New Technology & New Products of China, 2018(14): 77?78.

[10] WU Liwei, TIAN Ying, SU Youpo, et al. Seismic performance of precast composite shear walls reinforced by concrete-filled steel tubes[J]. Engineering Structures, 2018, 162: 72?83.

[11] 鄭清林, 王霓, 陶里, 等. 灌漿缺陷對鋼套筒灌漿連接試件性能影響的試驗研究[J]. 建筑科學, 2017, 33(5): 61?68. ZHENG Qinglin, WANG Ni, TAO Li, et al. Experimental study on effects of grout defects on the connection behaviors of grout sleeve splicing for reinforcing bars[J]. Building Science, 2017, 33(5): 61?68.

[12] 唐和生, 凌塑奇, 王霓. 考慮灌漿缺陷的裝配式混凝土柱抗震性能數(shù)值模擬[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2018, 48(23): 33?37. TANG Hesheng, LING Suqi, WANG Ni. Numerical simulation on seismic behavior of pre-cast concrete column with grouting defects[J]. Building Structure, 2018, 48(23): 33?37.

[13] 鄭清林, 王霓, 陶里, 等. 套筒灌漿缺陷對裝配式混凝土柱抗震性能影響的試驗研究[J]. 土木工程學報, 2018, 51(5): 75?83. ZHENG Qinglin, WANG Ni, TAO Li, et al. Experimental study on effects of grout defects on seismic performance of assembled concrete columns[J]. China Civil Engineering Journal, 2018, 51(5): 75?83.

[14] GB 50010—2010, 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]. GB 50010—2010, Code for design of concrete structures[S].

[15] GB 50157—2013, 地鐵設(shè)計規(guī)范[S]. GB 50157—2013, Code for design of metro[S].

Study on mechanical properties of assembled air duct in metro station considering the effect of sleeve grouting defect

LIU Bocheng1, DING Jian1, MO Zhenze1, YANG Tian1, MEI Jun2, LI Bingchen3, ZHANG Yongxing3

(1. Wuxi Metro Group, Jiangsu Wuxi 214131, China; 2. Shanghai Tunnel Engineering Company, Shanghai 200232, China; 3. Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

In order to grasp the influence of sleeve grouting defect on assembled rail top duct of metro station, the finite element numerical simulation was used in this paper, in which four common defects of sleeve grouting were selected, including end defect, middle defect, bottom defect and eccentric defect of reinforcing bar, and the mechanical properties of assembled rail top duct with sleeve grouting defects and the stress changes of steel bolts were studied. The results show that stress concentration occurs at sleeve grouting connection, and the tensile stresses of steel sleeve and grouting material increase gradually from top to bottom, when sleeve grouting is used to connect the assembled rail top air duct. Similar to the case without sleeve grouting defect, sleeve grouting defect has less influence on the deformation of rail top duct. Especially, the edge stress of sleeve grouting connection with bottom grouting defects is even greater than the tensile strength of concrete, which causes the surrounding concrete of sleeve grouting connection to be likably damaged and the structural safety to be affected. The research results can provide references for the application of sleeve grouting connection in the construction of prefabricated rail roof ducts in Metro stations.

subway station; air duct; sleeve grouting; grouting defect; mechanical performance

U455.7

A

1672?7029(2019)11?2809?06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.11.021

2019?01?22

國家自然科學基金資助項目(51508279)

張永興(1981?)，男，江蘇揚州人，教授，博士，從事隧道與地下工程研究；E?mail：zhanguongxing81@aliyun.com

(編輯 蔣學東)