混凝土填充率對STS管幕結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響研究

肖俊航，張?jiān)戮?/p>

(1.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300000； 2.中南建筑設(shè)計(jì)院， 湖北 武漢 430000)

隨著城市化的推進(jìn)，城市地表基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸趨于飽和，使得城市道路交通的發(fā)展空間受到限制，因此，發(fā)展城市地鐵工程勢在必行[1-2]。以洞樁法為代表的淺埋暗挖地鐵車站的施工方法對周圍環(huán)境影響影響較大[3]，而管幕工法作為一種新興暗挖方法因其環(huán)境影響小、施工簡單、結(jié)構(gòu)安全可靠和工期短等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于地鐵工程建設(shè)領(lǐng)域[4-5]。傳統(tǒng)管幕工法因在施工過程中對周圍擾動(dòng)相對較小，在我國一些重點(diǎn)工程進(jìn)行了運(yùn)用[6-7]。它是在土體內(nèi)頂入若干根鋼管，通過管間連接實(shí)現(xiàn)小斷面構(gòu)建大斷面地下結(jié)構(gòu)的施工方法。由于傳統(tǒng)管幕結(jié)構(gòu)相鄰管間僅用鎖扣進(jìn)行連接，導(dǎo)致其整體管幕結(jié)構(gòu)的抗彎承載力和抵抗變形能力較弱，在開挖管幕下方土體時(shí)需要架設(shè)大量的臨時(shí)支撐，給施工帶來了不便?；诖?，Jia等[8-9]學(xué)者提出了一種新型的管幕工法：STS管幕工法，它的相鄰管間采用混凝土、螺栓以及翼緣板進(jìn)行連接進(jìn)而組成的帷幕支護(hù)結(jié)構(gòu)，不僅加強(qiáng)了整體的支護(hù)能力，并在必要時(shí)提供止水功能。趙文等[10]和賈鵬蛟等[11-13]通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了STS管幕結(jié)構(gòu)的破壞模式、裂縫開展和受力機(jī)制，并系統(tǒng)性的分析了管間連接參數(shù)對其抗彎性能的影響。謝欣[14]采用數(shù)值模擬方法，在現(xiàn)有規(guī)范條件下分析得到STS新型管幕結(jié)構(gòu)抗彎剛度及正截面抗彎承載力的計(jì)算公式。趙文等[15]分析了STS管幕結(jié)構(gòu)支護(hù)下的土體開挖過程，探討了不同的開挖臺(tái)階尺寸和施工步序等因素對地表沉降及開挖面穩(wěn)定性的影響。張超哲等[16]采用彈簧模擬STS管幕結(jié)構(gòu)和土體相互作用，探究了原模型和其簡化模型的結(jié)構(gòu)受力和整體變形規(guī)律。

綜上所述，當(dāng)前學(xué)者主要致力于STS管幕結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制和連接參數(shù)方面的研究，而混凝土在STS管幕結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度尚未被系統(tǒng)研究。在實(shí)際施工過程中，由于具體施工條件的限制，STS管幕結(jié)構(gòu)的管內(nèi)和管間混凝土存在不密實(shí)情況，加之混凝土作為STS管幕結(jié)構(gòu)的重要組成部分，管內(nèi)外混凝土的密實(shí)度對STS管幕結(jié)構(gòu)的受力較為重要?；诖?，本文以室內(nèi)試驗(yàn)為依托，采用有限元軟件ABAQUS建立有限元模型，對不同混凝土填充率情況下STS管幕結(jié)構(gòu)抗彎性能進(jìn)行深入研究。

1 STS管幕結(jié)構(gòu)工作機(jī)理簡介

STS(Steel Tube Slab,STS)管幕結(jié)構(gòu)是以翼緣板和高強(qiáng)螺栓為橫向連接的鋼管組，其節(jié)點(diǎn)詳圖如圖1所示。該管幕結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)管幕最大的區(qū)別在于擁有較強(qiáng)的橫向承載能力，這使得STS管幕結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮類似于結(jié)構(gòu)板一樣的作用。

圖1 鋼管橫向連接節(jié)點(diǎn)詳圖(單位：mm)

強(qiáng)效的橫向連接改變了STS管幕結(jié)構(gòu)的受力形態(tài)，使其作用機(jī)理也與傳統(tǒng)管幕結(jié)構(gòu)完全不同。當(dāng)隧道開挖時(shí)，因STS管幕結(jié)構(gòu)能夠以板狀形式承載，充分發(fā)揮其橫向承載能力，因此可以大大減少內(nèi)部臨時(shí)支撐的數(shù)量，甚至條件允許的情況下可以不設(shè)任何支撐。當(dāng)不設(shè)或少設(shè)支撐時(shí)，STS管幕結(jié)構(gòu)在沿隧道方向的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出隧道橫斷面尺寸的3倍。參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17](GB 50010—2010)9.1.1條：當(dāng)長邊與短邊之比不小于3.0時(shí)，宜按沿短邊方向受力的單向板計(jì)算。此時(shí)結(jié)構(gòu)板的受力可以按照平面應(yīng)變問題簡化為梁模型進(jìn)行計(jì)算[18]。STS管幕結(jié)構(gòu)分析單元的選取如圖2所示。

圖2 STS管幕結(jié)構(gòu)計(jì)算單元選取

2 計(jì)算模型介紹

2.1 本構(gòu)模型選取

材料的本構(gòu)其實(shí)質(zhì)即為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，屬于材料內(nèi)部微觀機(jī)理的宏觀表現(xiàn)。鑒于管內(nèi)混凝土受外環(huán)鋼管的約束作用，本文特選用韓林海提出的本構(gòu)模型參與分析[14]。管間混凝土受壓本構(gòu)模型選取《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17](GB 50010—2010)混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖3所示。螺栓和翼緣板采用雙階段曲線模型來模擬。

圖3 混凝土單軸受壓應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線

2.2 模型參數(shù)標(biāo)定

東北大學(xué)各科研工作者做了多組室內(nèi)模型試驗(yàn)[10,15]，本文以文獻(xiàn)[10,15]中1∶1試驗(yàn)數(shù)據(jù)為參照，如圖4所示，用ABAQUS軟件來模擬相同試驗(yàn)條件下STS管幕結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，對比室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果，以驗(yàn)證各部件選取的本構(gòu)模型的合理性。管內(nèi)以及管間填充材料選用C30混凝土，鋼管以及翼緣板選用Q235B工字鋼，橫向螺栓選用8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓。模型取1m寬度，采用單點(diǎn)集中力加載模式，其中鋼管細(xì)部尺寸如表1所示，模型尺寸圖如圖1所示。

圖4 STS管幕結(jié)構(gòu)1∶1試驗(yàn)圖

表1 STS管幕結(jié)構(gòu)對比組細(xì)部尺寸

模型中分別包含鋼管、翼緣板、管內(nèi)混凝土、管間混凝土、橫向螺栓以及支座墊板共六個(gè)細(xì)部結(jié)構(gòu)。鋼管與翼緣板采用四節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的殼單元(S4R)；混凝土和墊板采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的三維實(shí)體單元(C3D8R)；螺栓采用兩節(jié)點(diǎn)線性積分格式的三維桁架單元(T3D2)。墊板與STS管幕結(jié)構(gòu)通過Tie約束連接，在加載墊板上方建立參考點(diǎn)，并且將該參考點(diǎn)與墊板Couping起來，用以施加集中荷載；螺栓與整體結(jié)構(gòu)之間采用Embedded約束，在鋼管、翼緣板與混凝土之間建立面-面接觸(Surface to Surface)，以“罰函數(shù)”定義接觸面的切向特性，摩擦因數(shù)取0.3，以“硬接觸”定義接觸面的法向特性。兩個(gè)對比組的整體模型如圖5所示。

圖5 整體模型

選取1∶1模型試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果，繪制跨中位置荷載-位移曲線，如圖6所示，圖中實(shí)線表示試驗(yàn)結(jié)果，虛線表示模擬結(jié)果。從圖6可以看出，數(shù)值模型的初始剛度大于試驗(yàn)的初始剛度，分析原因在于試驗(yàn)中混凝土顆粒之間有空隙，無法達(dá)到理想填充狀態(tài)，所以在試驗(yàn)初期加載時(shí)，試驗(yàn)初始剛度要小于數(shù)值模擬的初始剛度。

圖6 試驗(yàn)值與模擬值對比

由圖6可知，1∶1模型選用如上本構(gòu)模型得到的數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，因此，采用該本構(gòu)模型可以較為準(zhǔn)確的反映STS管幕結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

3 STS管幕結(jié)構(gòu)工程機(jī)理分析

3.1 模型建立

選取11根鋼管按實(shí)際尺寸1∶1建模，作為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件。采用大型非線性有限元分析軟件ABAQUS建立各試驗(yàn)組模型。整個(gè)模型包括鋼管、翼緣板、橫向螺栓、管內(nèi)混凝土、管間混凝土以及墊板共6個(gè)細(xì)部構(gòu)造。本節(jié)數(shù)值模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵允覂?nèi)1∶1試驗(yàn)為參考，支座采取一端固定一端簡支的形式。本節(jié)模型所選取的材料本構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分形式與模型參數(shù)標(biāo)定中的一致。模型細(xì)部構(gòu)造如圖7所示，整體模型如圖8所示，模型參數(shù)如表2所示，數(shù)值模擬加載方式見圖9。

圖7 模型細(xì)部構(gòu)造圖

圖8 整體模型圖

圖9 數(shù)值模擬試驗(yàn)加載方式

表2 模型參數(shù)

3.2 對比組模擬結(jié)果分析

經(jīng)過數(shù)值模擬得到STS管幕結(jié)構(gòu)對比組各細(xì)部構(gòu)造在對稱集中荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變演化規(guī)律，以《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17](GB 50010—2010)中所描述的混凝土與鋼材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為標(biāo)準(zhǔn)，各部件失效標(biāo)準(zhǔn)即為：當(dāng)C30混凝土拉應(yīng)力達(dá)到1.5 MPa或拉應(yīng)變達(dá)到8.1×10-5、當(dāng)C30混凝土壓應(yīng)力達(dá)到30 MPa或壓應(yīng)變達(dá)到1.64×10-3、當(dāng)鋼管應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力235 MPa、當(dāng)翼緣板達(dá)到屈服應(yīng)力206 MPa、當(dāng)橫向螺栓達(dá)到屈服應(yīng)力500 MPa。以字母A至H分別表示管間受拉區(qū)混凝土失效、管內(nèi)受拉區(qū)混凝土失效、鋼管底部產(chǎn)生塑性形變、管間受壓區(qū)混凝土失效、鋼管底部屈服、下螺栓屈服、下翼緣屈服、上螺栓屈服，共8個(gè)受力節(jié)點(diǎn)，以M表示試件破壞。對比組各細(xì)部構(gòu)造失效時(shí)所對應(yīng)的荷載如表3所示。

表3 各細(xì)部構(gòu)造退出工作時(shí)的荷載

由表3可知各細(xì)部構(gòu)造按照字母編號(hào)順序先后達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而退出工作，當(dāng)構(gòu)件破壞時(shí)管內(nèi)受壓區(qū)、上螺栓仍然未破壞，下翼緣板未進(jìn)入塑性階段。

經(jīng)過數(shù)值模擬得到對比組在對稱集中荷載作用下的跨中位移隨荷載的變化關(guān)系，同時(shí)經(jīng)過計(jì)算得到其剛度隨荷載的變化趨勢，如圖10、圖11所示。

由圖10、圖11可知，整個(gè)構(gòu)件的受力階段基本可以分為三個(gè)過程：線彈性階段(0C)、彈塑性階段(CD)、塑性破壞階段(DM)。STS管幕結(jié)構(gòu)極限承載力為3 220.8 kN·m，初始剛度為330.9 kN·m/mm。隨著荷載的增大，STS管幕結(jié)構(gòu)的剛度在不斷地減小，當(dāng)管幕結(jié)構(gòu)的各細(xì)部構(gòu)造在不同階段進(jìn)入塑性并退出工作時(shí)，結(jié)構(gòu)的剛度發(fā)生突然下降。并且當(dāng)鋼管底部產(chǎn)生塑性形變(C)、管間受壓區(qū)混凝土達(dá)到峰值壓應(yīng)變(D)、鋼管底部屈服(E)時(shí)，STS管幕結(jié)構(gòu)剛度變化最為明顯。由此可知鋼管與管間受壓區(qū)混凝土對整個(gè)構(gòu)件承載力起到至關(guān)重要的作用。

圖10 對比組位移-荷載曲線

圖11 對比組剛度曲線

結(jié)合圖10、圖11可知，STS管幕結(jié)構(gòu)對比組的工作機(jī)理可以分析得到：在結(jié)構(gòu)受力前期，構(gòu)件基本處于線彈性階段(0C：0%Pu～50.67%Pu(Pu表示構(gòu)件的極限承載力))，隨著荷載的增加，管間混凝土受拉區(qū)和管內(nèi)混凝土受拉區(qū)由于橫向螺栓的作用處于受拉狀態(tài)，并且隨著荷載的不斷增加而逐漸產(chǎn)生塑性變形，該部分對承載能力的貢獻(xiàn)逐漸減弱，并當(dāng)構(gòu)件各細(xì)部構(gòu)造進(jìn)入塑性或退出工作時(shí)STS管幕結(jié)構(gòu)的剛度產(chǎn)生突然下降；在該階段鋼管和下翼緣板在荷載作用下處于彈性受拉狀態(tài)，產(chǎn)生一定的形變；管間混凝土受壓區(qū)區(qū)受力雖然較小，但也已經(jīng)產(chǎn)生一定塑性形變。

在結(jié)構(gòu)受力中期，構(gòu)件處于彈塑性階段(CD：50.67%Pu～89.74%Pu)，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的50.67%時(shí)，鋼管底部進(jìn)入塑性階段，STS管幕結(jié)構(gòu)抗彎剛度產(chǎn)生明顯下降，并且分擔(dān)到管間受壓區(qū)混凝土的荷載增加，使其應(yīng)變及塑性形變增大。隨著荷載的進(jìn)一步增加，管間混凝土受壓區(qū)塑性形變進(jìn)一步增大，鋼管底部大面積屈服，當(dāng)荷載增大到極限荷載的77.79%時(shí)，鋼管底部全部屈服，管間混凝土受壓區(qū)達(dá)到峰值壓應(yīng)變，管間受壓區(qū)混凝土壓碎。隨著管間受壓區(qū)混凝土逐漸退出工作，該部分對整個(gè)構(gòu)件承載能力的貢獻(xiàn)逐漸減弱，管幕結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)一步減小。

在結(jié)構(gòu)受力后期，構(gòu)件處于塑性破壞階段(DM：89.74%Pu～100%Pu)，當(dāng)荷載增加至極限荷載的89.74%時(shí)，構(gòu)件主要承載部件全部退出工作。當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載3 220.8 kN·m時(shí)，構(gòu)件因剛度過小使其在較小荷載增幅的情況下產(chǎn)生過大變形，因而視其破壞。

在整個(gè)模擬過程當(dāng)中，下翼緣板以及上螺栓始終未達(dá)到屈服強(qiáng)度。

4 混凝土填充率對STS管幕結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響

結(jié)合現(xiàn)場施工情況，鋼管內(nèi)及管間掏土困難，其清除效果難以保證，直接影響了STS管幕結(jié)構(gòu)的抗力性能。本節(jié)通過建立不同填充率的數(shù)值模型，分析得到其在荷載作用下的荷載-位移曲線以及剛度曲線，結(jié)合各細(xì)部構(gòu)造的應(yīng)力應(yīng)變演化規(guī)律，研究混凝土填充率對管幕結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響。

4.1 管內(nèi)混凝土填充率對管幕結(jié)構(gòu)抗彎性能影響

以對比組為參照，選用11根管1∶1模型，分別建立管內(nèi)填充高度為0%、20%、40%、60%、80%以及100%共6組模型。模型加載同樣選用對稱集中力逐級(jí)加載，選取跨中純彎段作為研究對象，得到跨中位移和各細(xì)部構(gòu)造的應(yīng)力應(yīng)變演化情況，輸出其荷載-位移曲線及剛度變化曲線，試驗(yàn)組參數(shù)如表4所示，輸出結(jié)果見圖12、圖13。

由圖12和圖13中不同管內(nèi)填充率時(shí)STS管幕結(jié)構(gòu)的荷載位移曲線和剛度曲線可知，隨著管內(nèi)灌注量的不斷提升，管幕結(jié)構(gòu)的極限承載力以及抗彎剛度都有不同程度的提升。當(dāng)管內(nèi)填充率小于等于40%時(shí)，結(jié)構(gòu)延性較差，易發(fā)生脆性破壞，當(dāng)管內(nèi)填充率大于等于60%時(shí)，結(jié)構(gòu)的受力情況逐漸轉(zhuǎn)為彈性階段、彈塑性階段以及塑性破壞階段，且延性逐漸增強(qiáng)。

表4 管內(nèi)混凝土填充率變化試驗(yàn)組參數(shù)

當(dāng)填充率小于等于20%時(shí)，下螺栓無法錨固于管內(nèi)混凝土中，管內(nèi)混凝土易脫落，鋼管頂部容易屈服，最終極限承載力及剛度被嚴(yán)重削弱，破壞時(shí)鋼管呈鴨蛋形狀；當(dāng)填充率介于40%～60%時(shí)，下螺栓可以錨固于管內(nèi)混凝土中，填充料為40%時(shí)鋼管頂部容易屈服，管內(nèi)混凝土表面容易被壓碎，當(dāng)填充率為60%時(shí)，鋼管頂部不再發(fā)生屈服，轉(zhuǎn)為鋼管底部屈服但極限承載力及剛度同樣削弱嚴(yán)重，當(dāng)填充率為80%時(shí)，構(gòu)件擁有較為明顯的彈性階段、彈塑性階段以及塑性破壞階段。因管內(nèi)留有空隙，整個(gè)管幕結(jié)構(gòu)承載力及剛度也一定程度上被削弱；當(dāng)管內(nèi)混凝土無法填充全部空間時(shí)，由于鋼管頂部無填充物支撐，使該位置剛度較小，從而造成上翼緣板對管間混凝土的約束作用減弱，使其無法抵抗鋼管對管間混凝土中部的劈裂作用，最終導(dǎo)致管間混凝土由上至下出現(xiàn)受壓、受拉、再受壓、再受拉的四個(gè)受力區(qū)域。

圖12 管內(nèi)不同填充率時(shí)管幕結(jié)構(gòu)荷載-位移曲線

圖13 不同管內(nèi)填充率時(shí)整體結(jié)構(gòu)剛度曲線

4.2 管間底部混凝土填充率對管幕結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響

以對比組為參照，選用11根管1∶1模型，分別建立管間底部填充高度為20%、40%、60%、80%以及100%共5組模型。模型加載同樣選用對稱集中力逐級(jí)加載，選取跨中純彎段作為研究對象，得到跨中位移和各細(xì)部構(gòu)造的應(yīng)力應(yīng)變演化情況，輸出其荷載-位移曲線及剛度變化曲線，分析STS管幕結(jié)構(gòu)各細(xì)部構(gòu)造的破壞形式及先后順序，以此研究鋼管之間填充率對管幕結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響。試驗(yàn)組參數(shù)同表4所示，以40%填充率模型為例，其管間殘留土體以及混凝土模型效果如圖14所示。

圖14 填充40%時(shí)管間土體和混凝土效果圖

圖15和圖16分別表示不同管間底部混凝土填充率條件下STS管幕結(jié)構(gòu)的荷載位移曲線和剛度曲線。由圖可知，隨著管間底部灌注量的不斷提升，管幕結(jié)構(gòu)的受力形式發(fā)生了改變，極限承載力以及抗彎剛度也有不同程度的提升。當(dāng)管內(nèi)填充率小于等于40%時(shí)，結(jié)構(gòu)只存在彈性階段以及塑性破壞階段，當(dāng)荷載達(dá)到900 kN·m時(shí)，構(gòu)件剛度直接下降85.14%，并直接從彈性階段跳躍至塑性破壞階段。當(dāng)管內(nèi)填充率大于等于60%時(shí)，結(jié)構(gòu)的受力情況逐漸轉(zhuǎn)為彈性階段、彈塑性階段以及塑性破壞階段。隨著管間底部混凝土填充率的不斷增長，構(gòu)件的極限承載力及抗彎剛度都有不同程度的提升。

當(dāng)填充率小于等于40%時(shí)，受壓區(qū)無混凝土承受壓力，所有荷載由上螺栓承擔(dān)，當(dāng)其屈服之后，整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗彎剛度直接下降至初始剛度的十分之一，并使結(jié)構(gòu)直接從彈性階段跳入塑性破壞階段，這也是填充率小于40%時(shí)，荷載-位移曲線有一個(gè)突變(尖角)，即剛度突然變形的原因；當(dāng)填充率大于等于60%時(shí)，結(jié)構(gòu)存在明顯的彈性階段、彈塑性階段以及塑性破壞階段。隨著受壓區(qū)混凝土占有率的不斷提升，結(jié)構(gòu)的承載力及剛度不斷提升，但上螺栓仍然為受壓區(qū)的主要承載部件，因此上螺栓依然先于鋼管底部產(chǎn)生破壞；管間混凝土與殘留土體交界面容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)荷載增至90%Pu時(shí)，管間混凝土交界面被壓碎。整個(gè)過程中殘留土體所受荷載較小，變形較大。

圖15 管間底部不同填充率時(shí)管幕結(jié)構(gòu)

圖16 管間底部不同填充率時(shí)管幕結(jié)構(gòu)剛度曲線

4.3 管間頂部混凝土填充率對管幕結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響

以對比組為參照，選用11根管1∶1模型，分別建立管間頂部填充高度為20%、40%、60%、80%、90%以及100%共6組模型。模型加載同樣選用對稱集中力逐級(jí)加載，選取跨中純彎段作為研究對象，得到跨中位移和各細(xì)部構(gòu)造的應(yīng)力應(yīng)變演化情況，輸出其荷載-位移曲線及剛度變化曲線，分析STS管幕結(jié)構(gòu)各細(xì)部構(gòu)造的破壞形式及先后順序，以此研究鋼管之間頂部混凝土填充率對管幕結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響。試驗(yàn)組參數(shù)同表4所示，以40%填充率模型為例，其管間殘留土體以及混凝土模型效果如圖17所示。

圖17 填充40%時(shí)管間土體和混凝土效果圖

圖18和圖19分別表示不同管間頂部混凝土填充率條件下STS管幕結(jié)構(gòu)的荷載位移曲線和剛度曲線。由圖可知，當(dāng)管間頂部混凝土填充率超過20%時(shí)，填充率的變化對STS管幕結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響較小。所有構(gòu)件都經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段以及塑性破壞階段。

圖18 管間頂部不同填充率時(shí)管幕結(jié)構(gòu)

圖19 管間頂部不同填充率時(shí)管幕結(jié)構(gòu)剛度曲線

管間頂部混凝土填充率超過20%時(shí)，可以保證STS管幕結(jié)構(gòu)的抗彎性能與其滿填狀態(tài)下的差異在較小的范圍之內(nèi)，因此在實(shí)際工程中，可以通過減少管間底部土體的清除，在保證抗彎性能基本不變的前提下減少工作量與操作難度，以節(jié)約材料，縮短工期，減少造價(jià)。

5 結(jié) 論

(1) STS管幕結(jié)構(gòu)在對稱集中荷載作用下，各細(xì)部構(gòu)造失效過程按照管間受拉區(qū)混凝土、管內(nèi)受拉區(qū)混凝土、鋼管底部(產(chǎn)生塑性形變)、管間受壓區(qū)混凝土、鋼管底部(屈服)、下螺栓的順序進(jìn)行，整體結(jié)構(gòu)抗彎剛度也隨之下降。

(2) 當(dāng)填充率小于等于20%時(shí)，由于缺少下螺栓的約束作用，管內(nèi)混凝土易脫落，當(dāng)填充率小于等于40%時(shí)，鋼管部分受壓區(qū)荷載全部由鋼管承擔(dān)，當(dāng)鋼管頂部屈服時(shí)構(gòu)件破壞并且鋼管呈“鴨蛋形”，管內(nèi)混凝土上表面與鋼管連接處易被壓碎；當(dāng)填充率大于等于60%時(shí)，管內(nèi)受壓區(qū)混凝土可以有效分擔(dān)鋼管頂部所受的荷載，因此鋼管頂部不再發(fā)生屈服。

(3) 當(dāng)管間底部混凝土填充率小于等于40%時(shí)，管間受壓區(qū)荷載基本由上螺栓承擔(dān)，因此當(dāng)上螺栓首先發(fā)生屈服時(shí)，結(jié)構(gòu)受力階段直接跳入塑性破壞階段；當(dāng)填充率大于等于60%時(shí)，管間受壓區(qū)混凝土有效分擔(dān)上螺栓所承受的荷載，結(jié)構(gòu)受力階段重新恢復(fù)彈塑性階段。