斜交條件下預(yù)制拼裝地道結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

錢文斐，李忻軼，姜 炯

［上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092］

0 引 言

目前，對于橋梁[1]、綜合管廊[2]、沉管隧道[3]、矩形盾構(gòu)隧道[4]等正交條件下的矩形箱型結(jié)構(gòu)已開展了大量的預(yù)制拼裝工藝研究并付諸于工程實踐中。本文以上海S7 公路一期工程為例，針對斜交條件下預(yù)制拼裝地道結(jié)構(gòu)進行分析研究，以期為矩形箱型結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝工藝的進一步拓展提供借鑒。

1 工程概況

上海S7 公路一期工程為上海市預(yù)制拼裝示范工程，預(yù)制拼裝化率超過95%。其中聯(lián)楊路下穿G1501，共有 2 處地道，分別為 NE 匝道、SE 匝道。

工程所處地形較為平坦，場區(qū)淺層存在軟土、厚填土、明浜等不良地基地質(zhì)現(xiàn)象，對設(shè)計施工存在一定影響。自上而下主要巖土層分布情況如下：①1層填土、②層黃- 灰黃色黏土、③層灰色淤泥質(zhì)黏土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1層灰色黏土、⑥層暗綠-黃色粉質(zhì)黏土。場地內(nèi)地下水類型有潛水及承壓水，地下水位隨氣候、季節(jié)及環(huán)境影響而變化。勘察期間，地下水位埋深為0.58～3.10 m，高程為4.25～0.06 m，承壓水對本工程無影響。

本文擬以NE 匝道為例，對斜交條件下預(yù)制拼裝地道結(jié)構(gòu)受力情況進行分析研究。NE 匝道地道斜交角度為67°，垂直于軸線方向的結(jié)構(gòu)寬度為16.0 m，其中結(jié)構(gòu)凈空寬度為14.6 m，側(cè)墻厚度為0.7 m；結(jié)構(gòu)高度為6.25 m，其中結(jié)構(gòu)凈空高度為4.85 m，頂、底板厚度均為0.7 m。

NE 匝道地道平面面、橫斷面、剖面見圖1~圖3。

圖1 NE 匝道地道平面圖（單位：mm）

圖2 NE 匝道地道橫斷面（單位：mm）

為了便于預(yù)制節(jié)段制作、運輸，吊裝，地道結(jié)構(gòu)軸向與斜邊平行分為2 塊，橫斷面分為上下2 塊“C”型結(jié)構(gòu)，共形成4 個單元，單個單元的尺寸為17.382 m×5.112 m×3.125 m，質(zhì)量約 213.3 t。

圖3 NE 匝道地道剖面（單位：mm）

對于縱向接縫，采用垂直于斜邊的預(yù)應(yīng)力鋼筋形式；對于環(huán)向接縫，采用凸凹榫形式，與通常環(huán)向接頭形式的不同之處在于其未設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋；縱、環(huán)向接縫間均勻涂抹環(huán)氧拼縫膠。

縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋接頭大樣圖見圖4，環(huán)向凸凹榫接頭大樣圖見圖5。

圖4 縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋接頭大樣圖（單位：mm）

圖5 環(huán)向凸凹榫接頭大樣圖（單位：mm）

2 結(jié)構(gòu)計算模型

對于預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)，需進行吊裝、運輸及運營3種工況下的受力分析?？紤]到吊裝、運輸工況下受力分析相對簡單，本次重點研究運營工況。采用三維實體單元模擬結(jié)構(gòu)，針對環(huán)縫設(shè)置凸凹榫接頭的預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)體系（以下簡稱“體系一”）與封閉框架的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)體系（以下簡稱“體系二”）2 種結(jié)構(gòu)體系受力性能進行對比分析。

結(jié)構(gòu)計算軟件采用Midas/Civil， 主體結(jié)構(gòu)采用六面體實體單元（見圖6），凸凹榫界面采用僅受壓彈簧模擬，底板邊界條件采用彈簧模擬，基床系數(shù)為20 000 kN/m3。

圖6 三維實體單元計算分析模型

荷載基本組合條件下，荷載值分布情況見圖7。

圖7 荷載基本組合示意圖

3 結(jié)構(gòu)受力及變形

基于結(jié)構(gòu)安全考慮，地道結(jié)構(gòu)的頂、底板及側(cè)墻均按受彎構(gòu)件進行計算，計算出彎矩值即可進行配筋設(shè)計。根據(jù)軟件后處理成果輸出方式及參照現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）條文說明4.2.4，需將三維實體單元輸出的正跨方向應(yīng)力值轉(zhuǎn)換為頂、底板斜跨方向彎矩值及側(cè)墻正跨方向彎矩值。具體思路如下：

首先，根據(jù)式（1）算出側(cè)墻正跨方向的彎矩值；然后，根據(jù)式（2）計算頂、底板斜跨跨中方向彎矩值；最后，根據(jù)式（3）計算頂、底板斜跨支座處彎矩值。

式中：M 為正跨方向彎矩值；W 為截面抗彎模量；σ+（-）為截面正跨方向最大正（負(fù)）應(yīng)力值。

式中：M鉸正為頂、底板構(gòu)件在鉸接支撐邊界條件下計算跨度為15.3 m（正跨方向）的跨中彎矩值；M鉸斜為頂、底板構(gòu)件在鉸接支撐邊界條件下計算跨度為15.3/sin 67° m（斜跨方向）的跨中彎矩值。

式中：M固正為頂、底板構(gòu)件在固定支撐邊界條件下計算跨度為15.3 m（正跨方向）的支座處彎矩值；M固斜為頂、底板構(gòu)件在固定支撐邊界條件下計算跨度為15.3/sin 67° m（斜跨方向）的支座處彎矩值。

3.1 頂板

體系一的頂板頂、底面正跨方向應(yīng)力分布見圖8、圖9。

圖8 頂板頂正跨方向應(yīng)力云紋圖

圖9 頂板底正跨方向應(yīng)力云紋圖

體系二的頂板頂、底面正跨方向應(yīng)力分布見圖10、圖11。

圖10 頂板頂正跨方向應(yīng)力云紋圖

圖11 頂板底正跨方向應(yīng)力云紋圖

頂板頂、底關(guān)鍵位置的應(yīng)力差值見表1。

表1 頂板頂、底正跨方向應(yīng)力差值一覽表

由圖8~圖11 和表1 可知：2 種體系下，頂板頂、底正跨方向應(yīng)力分布形態(tài)相近，且應(yīng)力差值相差不大，即彎矩值相差不大，2 種體系下的差值范圍為3%~10%。

3.2 底板

體系一的底板頂、底面正跨方向的應(yīng)力分布見圖12、圖13。

圖12 底板頂正跨方向應(yīng)力云紋圖

體系二的底板頂、底面正跨方向應(yīng)力分布見圖14、圖15。

圖13 底板底正跨方向應(yīng)力云紋圖

圖14 底板頂正跨方向應(yīng)力云紋圖

圖15 底板底正跨方向應(yīng)力云紋圖

2 種體系下，底板頂、底關(guān)鍵位置應(yīng)力差值見表2。

由圖12~ 圖15 和表2 可知：2 種體系下，底板頂、底正跨方向應(yīng)力分布形態(tài)相近，且應(yīng)力差值相差不大，即彎矩值相差不大，2 種體系下的差值范圍為5%~13%。

表2 底板頂、底正跨方向應(yīng)力差值一覽表

3.3 側(cè)墻

體系一的側(cè)墻臨、背土側(cè)正跨方向應(yīng)力分布見圖16、圖17。

圖16 側(cè)墻臨土側(cè)正跨方向應(yīng)力云紋圖

圖17 側(cè)墻背土側(cè)正跨方向應(yīng)力云紋圖

體系二的側(cè)墻臨、背土側(cè)正跨方向應(yīng)力分布見圖18、圖19。

圖18 側(cè)墻臨土側(cè)正跨方向應(yīng)力云紋圖

圖19 側(cè)墻背土側(cè)正跨方向應(yīng)力云紋圖

2 種體系下，側(cè)墻迎土側(cè)、背土側(cè)關(guān)鍵位置應(yīng)力差值見表3，點1～點8 的具體位置見圖3。

由圖16~圖19 和表3 可知：2 種體系下，側(cè)墻臨土側(cè)、背土側(cè)正跨方向應(yīng)力分布有一定的差別，側(cè)墻與頂、底板交接處點1~ 點4 的應(yīng)力差值（即彎矩值）相差范圍為3%~11%，在凸凹榫位置附近點5~ 點8的應(yīng)力差值（即彎矩值）相差范圍為7%~22%。

3.4 凸凹榫處應(yīng)力

體系一凸凹榫處最大主應(yīng)力絕對值（見圖20）在臨土側(cè)基本為拉應(yīng)力，其分布范圍約占1/4， 最大值為-6 331.6 kPa；而在背土側(cè)基本為壓應(yīng)力，其分布范圍約占3/4，最大值為12 481.1 kPa。

圖20 凸凹榫處最大主應(yīng)力絕對值云紋圖

體系二相同位置處最大主應(yīng)力絕對值（見圖21）在臨土側(cè)基本為拉應(yīng)力，其分布范圍約占1/2， 最大值為-5 885.8 kPa；而在背土側(cè)基本為壓應(yīng)力，其分布范圍約占1/2，最大值為3 215.1 kPa。

圖21 相同位置封閉框架體系最大主應(yīng)力絕對值云紋圖

表3 側(cè)墻迎、背土側(cè)正跨方向應(yīng)力差值一覽表

綜上可知：（1）2 種體系相同位置臨土側(cè)結(jié)構(gòu)單元最大主應(yīng)力均呈現(xiàn)拉應(yīng)力，而背土側(cè)結(jié)構(gòu)單元均呈現(xiàn)壓應(yīng)力，從而產(chǎn)生彎矩作用；（2）凸凹榫與封閉框架體系相同位置臨土側(cè)拉應(yīng)力比值為1.08，背土側(cè)壓應(yīng)力比值為3.88。

3.5 凸凹榫接縫處張開值

進一步研究體系一凸凹榫接縫處的張開值。

凸凹榫接縫處節(jié)點位移見圖22 和表4。

圖22 凸凹榫處位移

表4 凸凹榫處節(jié)點位移一覽表 mm

通過以上計算分析得出：結(jié)構(gòu)側(cè)墻凸凹榫處發(fā)生了向臨土側(cè)的位移，接縫處最大張開值為0.44 mm（節(jié)點195762 與節(jié)點55777 在 Z 方向上的位移 DZ之差值，即 -15.311 -（-15.751）=0.44），接縫處張開值與現(xiàn)場觀測結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 語

（1）對于斜交條件下預(yù)制拼裝地道縱縫采用凸凹榫接頭的結(jié)構(gòu)體系，頂板、底板、邊墻（除凸凹榫位置外）關(guān)鍵位置處的彎矩值與封閉框架體系下的差別不大，差值基本在13%以內(nèi)。

（2）工程設(shè)計通常假定凸凹榫處采用鉸接邊界條件模擬，這樣計算的結(jié)果為凸凹榫處不承受彎矩，且水平向位移值較大。而本次研究成果為凸凹榫處由于拉、壓應(yīng)力可以產(chǎn)生彎矩，且水平位移值僅為鉸接條件下的40%（按鉸接計算，水平位移值為18.2 mm）。這說明對于凸凹榫接縫采用鉸接進行模擬存在不合理之處。

（3）為了方便工程設(shè)計中的結(jié)構(gòu)計算分析，體系一的受力計算模型可考慮利用體系二的等效計算模型，但需將凸凹榫位置處彎曲值進行適當(dāng)提高，為安全起見，可考慮提高20%~30%。

（4）本研究成果已運用于上海S7 公路一期工程中，并取得了良好的經(jīng)濟效益及社會效益。整個工程已于2019 年10 月18 日全線通車。本研究成果可以為類似工程提供參考與借鑒。