管廊裝配整體式結(jié)構(gòu)疊合節(jié)點受彎性能研究及應(yīng)用

王振強 魏奇科 陳 豪 廖小輝 武黎明

（1.中冶建工集團有限公司，重慶400084；2.重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶400052）

0 引 言

裝配整體式管廊是指由預(yù)制混凝土管廊構(gòu)件通過可靠的方式進(jìn)行連接并與現(xiàn)場后澆混凝土或水泥基灌漿料形成整體的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)［1-2］。該結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件均為疊合板，預(yù)制體量小，單體重量小，現(xiàn)場拼接接縫通過后澆混凝土的填充從而保證了結(jié)構(gòu)的整體性和良好的防水性能［3-4］。根據(jù)具體的底板結(jié)構(gòu)的不同，又可分為底板疊合底板倒置疊合以及底板現(xiàn)澆三種形式，如圖1-圖3所示。

圖1 底板疊合Fig.1 Composite plate

圖2 底板倒置疊合Fig.2 Inversion of composite plate

圖3 底板現(xiàn)澆Fig.3 Cast-in-place plate

針對以上三種裝配整體式結(jié)構(gòu)體系，遠(yuǎn)大住工集團有限公司以底板疊合的形式形成了裝配整體式綜合管廊結(jié)構(gòu)體系，宇輝集團有限公司以底板倒置預(yù)制、現(xiàn)場灌注施工的方式形成裝配整體式綜合管廊結(jié)構(gòu)體系，中國建筑建集團有限公司以底板全現(xiàn)澆的形式形成裝配整體式綜合管廊結(jié)構(gòu)體系［5-6］。

在以上三種結(jié)構(gòu)體系中，結(jié)構(gòu)的節(jié)點部位混凝土均是由預(yù)制和現(xiàn)澆兩部分構(gòu)成，本文中所述的疊合節(jié)點是指在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系中受力及傳力節(jié)點的混凝土由預(yù)制部分和現(xiàn)澆部分復(fù)合而成并整體受力的節(jié)點。前兩種結(jié)構(gòu)體系在疊合節(jié)點處理方面是采用鋼筋鎖扣連接，而第三種體系則是采用鋼筋搭接或錨固連接［7］，本文在裝配整體式管廊結(jié)構(gòu)體系中采用的是第三種底板現(xiàn)澆的結(jié)構(gòu)體系，減少預(yù)制件體量與運輸量，在疊合節(jié)點處理方面采用鋼筋錨固連接，對于采用鋼筋錨固連接，錨固鋼筋的長度為多少才能滿足節(jié)點性能要求，疊合節(jié)點箍筋間距為多少方為合理均需要進(jìn)一步通過試驗確定，疊合節(jié)點的力學(xué)性能不僅取決于節(jié)點構(gòu)造的設(shè)計，也取決于現(xiàn)場節(jié)點拼裝的穩(wěn)定性及后澆筑混凝土的密實度，因此裝配整體式管廊結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的支撐穩(wěn)定性及墻板中空部分后澆筑混凝土的密實性也需進(jìn)一步驗證。

1 疊合節(jié)點荷載試驗

1.1 構(gòu)件設(shè)計及預(yù)制

管廊裝配整體式結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)最大的區(qū)別在于結(jié)構(gòu)節(jié)點部位的混凝土是兩次成型，預(yù)制構(gòu)件完全成型并達(dá)到設(shè)計強度后，再裝運至現(xiàn)場組裝穩(wěn)定后，進(jìn)行二次混凝土澆筑，方形成疊合節(jié)點。由于施工工藝的不同導(dǎo)致管廊裝配整體式結(jié)構(gòu)節(jié)點的鋼筋設(shè)計及錨固方式的不同。疊合節(jié)點的設(shè)計能否取代現(xiàn)澆節(jié)點的設(shè)計主要看兩類節(jié)點的受彎性能是否等效。

為完成裝配整體式結(jié)構(gòu)疊合節(jié)點受彎性能與現(xiàn)澆節(jié)點的對比驗證，本試驗共設(shè)計3個1∶1比例的管廊L 型節(jié)點試件，試件長與高均為1.6 m，縱向厚度方向為1.0 m。號試件為現(xiàn)澆節(jié)點：墻體厚度為350 mm，底板厚度為400 mm，試件受力鋼筋采用HRB400 螺紋鋼，鋼筋直徑為16 mm，鋼筋間距100 mm，分布筋采用HRB400 螺紋鋼，鋼筋直徑為14 mm，鋼筋間距150 mm，節(jié)點區(qū)域縱向受力鋼筋的錨固長度為240 mm（15倍鋼筋直徑）；號試件為疊合節(jié)點：中空疊合墻板預(yù)制厚度分別為80 mm，中空部分凈距為190 mm，兩塊預(yù)制墻板之間采用兩道平面桁架連接以保證雙面疊合墻體的穩(wěn)定，桁架間距350 mm，受力鋼筋設(shè)計與號試件相同；號試件為加強型疊合節(jié)點，尺寸設(shè)計與號節(jié)點保持一致，節(jié)點區(qū)域箍筋間距由150 mm加密為100 mm，縱向鋼筋的錨固長度由240 mm 改為320 mm，節(jié)點試件設(shè)計如圖4、圖5所示。

試件混凝土采用普通混凝土，在制作試件的過程中，澆筑節(jié)點試件混凝土?xí)r，每盤隨機抽取制作一組150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方體試塊，每個節(jié)點試件制作混凝土試塊9 個，分為3組，試件與試塊均在室內(nèi)同條件下自然養(yǎng)護?？箟簭姸葴y量方法按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》（GB 50081—2016）的要求進(jìn)行，依據(jù)第6.0.4條對混凝土抗壓強度試驗中試塊加荷速度的要求，本文試驗的混凝土試塊強度等級為C40，加荷速度控制在每秒0.6 MPa，混凝土試塊實測抗壓強度的平均值作為其強度代表值，測得混凝土的抗壓強度如表1所示。

圖4 現(xiàn)澆節(jié)點斷面設(shè)計圖（單位：mm）Fig.4 Design of cast-in-place node

圖5 疊合節(jié)點斷面設(shè)計圖（單位：mm）Fig.5 Design of composite structure

表1 混凝土強度實測值Table 1 The concrete measured values

試驗所用鋼筋強度由標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗確定。標(biāo)準(zhǔn)試件從同批鋼材上隨機抽取，每組3 根，然后按照國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料室溫拉伸試驗方法》（GB/T 228—2002）的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行拉伸試驗，測得鋼筋的屈服強度、極限強度如表2 所示。構(gòu)件制作參數(shù)如表3所示。

表2 鋼筋材料性能實測值Table 2 The steel bar measured values

1.2 構(gòu)件加載及受力分析

試驗荷載的加載裝置主要是由1 000 kN液壓伺服器、錨桿、萬向鉸、固定梁和分配梁等組成。在試驗過程中以位移為控制基準(zhǔn)進(jìn)行逐級加載并設(shè)計荷載的1.5倍為終止條件。依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010），按某綜合管廊工程標(biāo)準(zhǔn)工況組合進(jìn)行計算，考慮墻板側(cè)面土壓力、靜水壓力、自重及地面堆載，通過等效換算求得試驗構(gòu)件墻板頂部所施加最大水平推力為338.8 kN，最大計算彎矩406.67 kN·m，節(jié)點水平截面剪力189.72 kN，正常使用極限狀態(tài)最大位移為56 mm。在試驗加載過程中，取懸臂端初始位移Δ0為2 mm以消除試驗誤差影響，以5 mm位移為單位逐級控制加載（最大位移量的1/10）。荷載的施加方式采用首先水平推力正向分級加載至管廊施圖設(shè)計荷載的1.5 倍（508 kN），并記錄數(shù)據(jù)及裂縫擴展情況，然后再逐級卸載并反向逐級加載至設(shè)計荷載，試驗裝置如圖6 所示。位移量測包括力作用點（懸臂端）的水平位移和疊合墻板（或現(xiàn)澆墻板）接縫處相對位移［8］，位移測量布置圖如圖7所示。

分別對3 個原型試件進(jìn)行正向逐級荷載施加，以位移變形控制為主，以管廊在施工方案中設(shè)計計算的上覆荷載做為校核，在變形允許的范圍內(nèi)以到達(dá)設(shè)計荷載的1.5倍為終止條件，在試驗數(shù)據(jù)記錄過程時，重點記錄構(gòu)件節(jié)點在達(dá)到設(shè)計荷載及1.5倍設(shè)計荷載時所對應(yīng)的抗彎承載力，試驗節(jié)點數(shù)據(jù)記錄如表2 所示，通過表4 數(shù)據(jù)分析可知，②號疊合節(jié)點構(gòu)件的抗彎性能較①號節(jié)點略有減弱，在通過③號節(jié)點加強構(gòu)造后構(gòu)件的抗彎性能優(yōu)于①號現(xiàn)澆節(jié)點。

表3 試驗構(gòu)件具體參數(shù)Table 3 Component parameters of experiments mm

圖6 試驗加載裝置（單位：mm）Fig.6 The loading devices of experiment（Unit：mm）

圖7 位移計布置示意圖Fig.7 The schematic diagram of displacement-meter

表4 節(jié)點試件抗彎承載力Table 4 The flexural capacitys of specimens

在試驗過程中，對于①號現(xiàn)澆節(jié)點，當(dāng)懸臂端位移加載到7 mm 時，墻板開始出現(xiàn)水平裂縫；當(dāng)位移增至22 mm 時節(jié)點域出現(xiàn)水平裂縫，墻板面出現(xiàn)豎向裂縫并向上延伸，當(dāng)位移達(dá)37 mm 時節(jié)點底部混凝土剝落；對于②號疊合節(jié)點，當(dāng)懸臂端位移加載到7 mm 時，墻板開始出現(xiàn)水平裂縫；當(dāng)位移增至17 mm 時節(jié)點域出現(xiàn)水平裂縫，墻板面出現(xiàn)豎向裂縫并向上延伸，當(dāng)位移達(dá)35 mm 時節(jié)點底部混凝土剝落；對于③號疊合節(jié)點，當(dāng)懸臂端位移加載到7 mm 時，墻板開始出現(xiàn)水平裂縫；當(dāng)位移增至27 mm 時節(jié)點域出現(xiàn)水平裂縫，墻板面出現(xiàn)豎向裂縫并向上延伸，當(dāng)位移達(dá)42 mm 時節(jié)點底部混凝土剝落。①號現(xiàn)澆節(jié)點、②號疊合節(jié)點、③號疊合節(jié)點（加強型）在達(dá)到1.5倍設(shè)計荷載下的變形及裂縫擴展情況如圖8所示。

在對3 個試驗構(gòu)件水平正向施加推力至設(shè)計荷載的1.5 倍，得出構(gòu)件的變形及裂縫發(fā)展情況后，再逐級卸載并反向加載至設(shè)計荷載，從而取得疊合節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點，加強型疊合節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點的彎矩-位移對比曲線，如圖9 所示，通過曲線對比可以進(jìn)一步證明，在對疊合節(jié)點的錨固鋼筋加長至20 倍鋼筋直徑及加密箍筋后，疊合節(jié)點的抵抗正負(fù)彎矩的性能略優(yōu)于現(xiàn)澆節(jié)點。

2 疊合墻板支撐架穩(wěn)定性分析

圖8 構(gòu)件節(jié)點在1.5倍設(shè)計荷載時的變形情況Fig.8 The deformation at 1.5 times load

圖9 構(gòu)件節(jié)點彎矩-位移曲線對比Fig.9 Moment-displacement curve of nodes

通過以上試驗分析可知，裝配整體式管廊的疊合節(jié)點通過加強設(shè)計后可以滿足設(shè)計荷載要求，進(jìn)一步需要確保中空疊合墻板在現(xiàn)場施工過程中的穩(wěn)定性及垂直度方能保證后澆混凝土成型后疊合節(jié)點的力學(xué)性能。而中空預(yù)制墻板在現(xiàn)場安裝時墻板之間需要通過支撐架進(jìn)行連接而形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，如圖10 所示，這種自支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是確保雙面疊合墻施工穩(wěn)定的前提。

圖10.預(yù)制疊合墻板間支撐架連接Fig.10 The connection between the walls

通過數(shù)值模擬取墻體縱向長度為2 m，臨時支撐縱向間距為1 m，模擬3艙室管廊之間的支架連接，每片墻與地面的連接約束及墻體與支撐之間的連接約束均為鉸接，模型荷載施加同時考慮自重荷載及施工荷載［9-11］，并按結(jié)構(gòu)設(shè)計施加一定的風(fēng)荷載如圖11 所示，模擬可知：自支撐結(jié)構(gòu)極限荷載遠(yuǎn)大于施工荷載，滿足現(xiàn)場施工要求。

圖11.支撐架穩(wěn)定性數(shù)值模擬荷載Fig.11 Numerical simulation of stability

3 裝配整體式管廊結(jié)構(gòu)施工應(yīng)用

通過以上研究在確定裝配整體式管廊結(jié)構(gòu)疊合節(jié)點可靠和自支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，以云南普洱某地下綜合管廊項目為依托進(jìn)行工程示范應(yīng)用，該工程設(shè)計長度1 115 m，為單艙室結(jié)構(gòu)，橫斷面高度為3.3 m，寬度為3.1 m，其中900 m 長的標(biāo)準(zhǔn)段均采用裝配整體式管廊結(jié)構(gòu)，施工現(xiàn)場臨時預(yù)制廠占地面積8 310 m2，現(xiàn)場構(gòu)件工作主要在雨季進(jìn)行，雨季結(jié)束后再進(jìn)行基坑開挖和主體結(jié)構(gòu)吊裝［12-13］。

裝配整體式管廊復(fù)合結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵是確保疊合節(jié)點的錨固性能，主要從三個方面進(jìn)行控制：一是墻板架立時的穩(wěn)定性控制，確保定位準(zhǔn)確，縫隙誤差在允許范圍內(nèi)，采用墻板自支撐結(jié)構(gòu)且邊支撐邊校正，過程控制如圖12 所示；二是疊合節(jié)點的錨固鋼筋長度不小于20 倍鋼筋直徑，且箍筋間距不宜大于15 cm。云南某項目中管廊底板φ18鋼筋錨固長度為45 cm，疊合節(jié)點箍筋間距為10 cm，并在疊合節(jié)點部位穿入縱向通常加強筋，確保結(jié)構(gòu)整體的強度和剛度，疊合節(jié)點構(gòu)造措施如圖13-圖15所示；三是中空墻板后澆混凝土的密實度控制，采用自密實混凝土同時輔以振動棒振搗。

圖12 墻板邊架立邊測量并校正Fig.12 Measure and correct of wallboards

4 結(jié) 語

本文針對裝配整體式綜合管廊結(jié)構(gòu)疊合節(jié)點受彎性能與現(xiàn)澆節(jié)點進(jìn)行了對比試驗，并對中空疊合墻板間自支撐架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，驗證該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)一步通過工程應(yīng)用驗證管廊裝配整體式結(jié)構(gòu)體系的可靠性，其主要結(jié)論可以歸結(jié)為以下三點：

圖13 底板鋼筋預(yù)留錨固鋼筋Fig.13 Reserved anchor bar of baseboard

圖14 錨固鋼筋插入疊合墻板Fig.14 Anchor bar insert wallboard

圖15 管廊底節(jié)點及頂節(jié)點穿入通長構(gòu)造加強筋Fig.15 Total length of structural reinforcement

（1）對于裝配整體式管廊底板現(xiàn)澆體系，疊合節(jié)點采用鋼筋錨固連接時其錨固鋼筋長度不小于20倍鋼筋直徑，且箍筋間距不宜大于15 cm。

（2）裝配整體式管廊底板現(xiàn)澆體系的疊合節(jié)點在設(shè)計時應(yīng)加入縱向通長筋增強節(jié)點連接。

（3）疊合墻板自支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及墻板中空部分采用自密實混凝土澆筑是保證裝配整體式管廊節(jié)點性能的重要措施。