預(yù)制裝配式波紋鋼綜合管廊承載性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

車?guó)櫜?童立元 劉松玉 戰(zhàn)福軍 李洪江

(1 東南大學(xué)交通學(xué)院， 南京 211189)(2 東南大學(xué)巖土工程研究所， 南京 211189)(3 南京聯(lián)眾工程技術(shù)有限公司， 南京 211215)

地下綜合管廊是一種將各類市政管線統(tǒng)一敷設(shè)在其內(nèi)的集約化、現(xiàn)代化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)施，維護(hù)方便，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益明顯[1].近幾年我國(guó)正掀起一場(chǎng)前所未有的“綜合管廊、海綿城市”開發(fā)熱潮，其施工以明挖現(xiàn)澆法、預(yù)制拼裝法為主，廊體材料普遍采用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土.這種施工方法及材料屬性在質(zhì)量控制、施工進(jìn)度、適用性、能耗、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)效益等方面存在一定劣勢(shì)，因此亟需探索一種新的地下綜合管廊建造模式來替代傳統(tǒng)的低效施工工藝[2-4].

在這種形勢(shì)下，預(yù)制裝配式建造模式成為地下空間開發(fā)利用的新型發(fā)展趨勢(shì)，也是我國(guó)建筑行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的方向[5-6].其中，預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)是2種主要的裝配式結(jié)構(gòu)型式，而預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)因適用性強(qiáng)、自重輕、施工快、成本低、抗震好、質(zhì)量易控制、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為我國(guó)未來地下空間開發(fā)利用的主要構(gòu)筑物之一[7-8].近年來，預(yù)制裝配式波紋鋼綜合管廊在我國(guó)鋼鐵產(chǎn)能充裕、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)統(tǒng)一、工業(yè)化生產(chǎn)高效、吊裝拼裝便利快速的大背景下逐漸得到應(yīng)用，彌補(bǔ)了當(dāng)前地下綜合管廊結(jié)構(gòu)材料的單一性，也是對(duì)綜合管廊工程大開發(fā)、大發(fā)展的有力補(bǔ)充.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬等方法對(duì)鋼波紋管涵在不同地質(zhì)條件、埋置深度、孔徑及波形、外部荷載等工況下的力學(xué)響應(yīng)及變形特征進(jìn)行了大量研究，并廣泛應(yīng)用于公路路基通道[9-14].然而，方拱形波紋鋼綜合管廊由于其構(gòu)造、受力、連接的特殊性，與單一的鋼波紋管涵差異較大，相關(guān)研究尚不多見.僅從材料屬性與結(jié)構(gòu)功能方面考慮，采用強(qiáng)度高、適應(yīng)變形能力強(qiáng)的波紋鋼板作為廊體材料，不僅可協(xié)調(diào)地基與基礎(chǔ)變形，而且能最大程度地減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，更好地發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)[15-16].

鑒于預(yù)制裝配式波紋鋼綜合管廊力學(xué)響應(yīng)的復(fù)雜性，在理論分析及數(shù)值仿真模擬過程中均不能完全了解其真實(shí)的力學(xué)特性，目前在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)主要采用簡(jiǎn)化的方法，且結(jié)果的可靠性受水文地質(zhì)條件、動(dòng)靜荷載及施工工藝等因素影響較大.因此，為了反映方拱形波紋鋼綜合管廊在回填過程、極限載荷作用下真實(shí)的受力變形規(guī)律，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的可行性及其應(yīng)用的安全性，開展綜合管廊承載性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)具有重要的工程意義.本文通過現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)對(duì)波紋鋼綜合管廊板片的應(yīng)變應(yīng)力、接縫螺栓應(yīng)力及結(jié)構(gòu)變形、沉降、滲漏水現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)試，并分析波紋鋼結(jié)構(gòu)綜合管廊的力學(xué)性能及變形規(guī)律.

1 試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)在南京市江北新區(qū)橫江大道場(chǎng)地進(jìn)行，場(chǎng)區(qū)勘察深度范圍內(nèi)土層從上而下依次為填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、軟塑～可塑黏性土、砂土.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、被測(cè)試驗(yàn)體尺寸及覆土厚度，綜合管廊基坑采用鋼板樁及一道鋼支撐進(jìn)行支護(hù)，開挖深度為7 m，坑底澆筑厚度為0.3 m的混凝土墊層并找平.待測(cè)波紋鋼綜合管廊為方拱形雙艙對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由2節(jié)長(zhǎng)度各為6 m的廊段組成.每個(gè)艙室由已焊接角鋼的底板、側(cè)板、頂板、艙間豎板經(jīng)螺栓緊固進(jìn)而壓緊橡膠墊的方式裝配而成，艙間填充透水混凝土，可使2個(gè)艙室形成整體結(jié)構(gòu).具體尺寸見圖1，波紋鋼板的波形參數(shù)見圖2.

圖1 綜合管廊結(jié)構(gòu)尺寸示意圖(單位：mm)

圖2 波紋鋼波形參數(shù)(單位：mm)

1.1 傳感器布設(shè)

現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)中運(yùn)用分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行波紋鋼板的應(yīng)變測(cè)試，采用布里淵光纖傳感分析儀RP1005對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并處理.在板片內(nèi)表面波峰與波谷斷面上布設(shè)光纜，光纜繃緊成直線緊密貼合在板片內(nèi)表面，呈持續(xù)的S形分布，波峰與波谷斷面間的連接光纜沿波紋板走勢(shì)緊密貼合.對(duì)于縱向光纜，光纜分布沿波紋走勢(shì)緊密貼合，且與環(huán)向光纜連接組成回路(見圖3(a)).

在綜合管廊裝配過程中，螺栓為主要的連接構(gòu)件.當(dāng)結(jié)構(gòu)受到載荷作用時(shí)，螺栓將產(chǎn)生軸向拉伸或收縮，在螺栓內(nèi)部埋入NZS-FBG-A02型光纖靜態(tài)應(yīng)變儀監(jiān)測(cè)螺栓受力情況.其中，1#～8#待測(cè)螺栓連接緊固管廊接頭處的環(huán)向接縫，依次位于頂板、側(cè)板、底板、艙間豎板的1/3及2/3位置處(見圖3(b))；14#、15#待測(cè)螺栓連接緊固頂板-豎板，16#、17#待測(cè)螺栓連接緊固頂板-側(cè)板，20#、21#待測(cè)螺栓連接緊固底板-側(cè)板， 23#、24#待測(cè)螺栓連接緊固底板-豎板，都屬于縱向接縫螺栓(見圖3(c)).

(a) 波紋板光纜分布走勢(shì)圖

(c) 縱向接縫螺栓位置編號(hào)

(d) 艙內(nèi)反光片監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置編號(hào)

綜合管廊變形及結(jié)構(gòu)沉降位移采用MS06AXⅡ型全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，沿結(jié)構(gòu)縱向共布置6個(gè)監(jiān)測(cè)面，分別位于每節(jié)廊段的起始點(diǎn)及中點(diǎn)位置，每個(gè)監(jiān)測(cè)面分布16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為X1～X16(見圖3(d)).此外，綜合管廊接頭處的環(huán)向接縫受環(huán)境及載荷因素影響易產(chǎn)生張開位移，試驗(yàn)中采用測(cè)縫計(jì)對(duì)該位移進(jìn)行測(cè)試，測(cè)縫計(jì)布設(shè)在接頭處廊段的豎板之間，編號(hào)為J1～J6(見圖3(e)).

1.2 試驗(yàn)工況

對(duì)波紋鋼綜合管廊在整個(gè)回填及極限加載過程中的受力變形規(guī)律及其抗破壞性能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試.試驗(yàn)設(shè)計(jì)回填高度為3 m，但考慮到設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.5，實(shí)際按頂板回填高度為4.5 m的工況進(jìn)行回填試驗(yàn)，然后通過繼續(xù)堆載混凝土塊的方式代替回填土，當(dāng)總覆土厚度達(dá)到10 m時(shí)進(jìn)行極限破壞性試驗(yàn).

現(xiàn)場(chǎng)加載時(shí)，在綜合管廊結(jié)構(gòu)兩側(cè)回填中粗砂，每回填0.5 m夯實(shí)1次，直至填至頂板.頂板回填時(shí)遵循以下步驟：回填0.5 m→人工夯實(shí)→回填0.5 m→人工夯實(shí)→回填1 m→機(jī)械夯實(shí)→回填1 m→機(jī)械夯實(shí)→回填1.5 m→機(jī)械夯實(shí)→堆載混凝土塊使其等效于加載厚度2.5 m的密實(shí)回填土→靜置一段時(shí)間→堆載混凝土塊使其等效于加載厚度3 m的密實(shí)回填土.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文通過現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)對(duì)波紋鋼綜合管廊板片的應(yīng)變應(yīng)力、接縫螺栓應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)變形與沉降、滲漏水現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)試，并分析鋼結(jié)構(gòu)綜合管廊的力學(xué)性能及變形規(guī)律.

2.1 波紋鋼板應(yīng)變應(yīng)力

波紋鋼板的應(yīng)變應(yīng)力由管廊結(jié)構(gòu)周圍的土體推力及不可忽略的板片彎矩產(chǎn)生.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在右艙波紋鋼頂板、側(cè)板、底板、艙間豎板的波峰及波谷斷面粘貼分布式光纜，采樣分辨率為0.01 m.各監(jiān)測(cè)面的環(huán)向應(yīng)變變化趨勢(shì)如圖4所示，其中傳感光纖長(zhǎng)度為0時(shí)表明該點(diǎn)位于接頭處.

(a) 頂板

(b) 側(cè)板

(c) 艙間豎板

(d) 底板

由圖4(a)可知，頂板各監(jiān)測(cè)面的環(huán)向應(yīng)變以正負(fù)相間的形式循環(huán)出現(xiàn)，表明波峰與波谷斷面拉壓性能完全相反，覆土厚度越大則環(huán)向應(yīng)變?cè)酱?，且拱頂區(qū)應(yīng)變大于相應(yīng)的拱腳區(qū)應(yīng)變.當(dāng)覆土厚度為10 m時(shí)，頂板內(nèi)表面的波峰斷面出現(xiàn)最大應(yīng)變值，達(dá)2.051 ×10-3.由于波紋形結(jié)構(gòu)的中性軸距波峰比波谷略遠(yuǎn)，波峰斷面的應(yīng)變大于相應(yīng)的波谷斷面應(yīng)變.且縱向角鋼的剛度較大，導(dǎo)致波紋鋼板的柔度發(fā)生變化，即使在相同的有效加載區(qū)域，各斷面的應(yīng)變也存在差異.

由圖4(b)可知，側(cè)板各監(jiān)測(cè)面的環(huán)向應(yīng)變受覆土厚度的影響不明顯.在保證綜合管廊結(jié)構(gòu)兩側(cè)回填料壓實(shí)度達(dá)標(biāo)的前提下，側(cè)板的各波峰及波谷斷面應(yīng)變隨覆土厚度的大幅增加而微量增加甚至減小，應(yīng)變值主要集中在-350×10-6～450×10-6之間，拱腳處應(yīng)變受角鋼的影響而急劇增大，最大值為679.48×10-6.由于地下結(jié)構(gòu)的拱形側(cè)板充分利用土體-結(jié)構(gòu)共同受力原理，有效增強(qiáng)其受力性能，因此環(huán)向應(yīng)變變化緩慢，對(duì)于空間利用率要求較高的地下綜合管廊，從強(qiáng)度的角度評(píng)價(jià)大跨徑側(cè)板受力是偏安全的.

艙間豎板及底板較為特殊，相鄰的艙間豎板之間填充混凝土，形成鋼-混組合墻，而底板已預(yù)制混凝土底座，且裝配完成后內(nèi)表面澆筑混凝土形成平面，以便于安裝管線.由于混凝土抗壓性能良好，豎板及底板的各波峰及波谷斷面應(yīng)變隨覆土厚度的增加變化不顯著，僅出現(xiàn)多個(gè)應(yīng)變集中點(diǎn)，環(huán)向應(yīng)變值主要集中在-200×10-6～300×10-6之間，如圖4(c)和(d)所示.

根據(jù)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果，相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值可表達(dá)為[17-18]

(1)

式中，E=208 GPa為鋼材彈性模量；μ=0.2為鋼材泊松比；εx為環(huán)向應(yīng)變；εy為縱向應(yīng)變.

圖5為各波紋鋼板內(nèi)表面典型波峰斷面的應(yīng)力變化規(guī)律.由圖5(a)可知，頂板內(nèi)表面波峰受拉應(yīng)力作用，應(yīng)力分布呈類拱形，應(yīng)力值隨覆土厚度增加而增大，拱頂區(qū)增幅遠(yuǎn)大于拱腳處，頂板覆土厚度為4.5、7 、10 m時(shí)應(yīng)力最大值分別為126.18、233.32、356.78 MPa.由于頂板沿縱向焊接角鋼且分別與側(cè)板及豎板連接，而側(cè)板與豎板的剛度差異較大，因此頂板拱腳處應(yīng)力變化復(fù)雜，應(yīng)力最大值并非出現(xiàn)在頂板中點(diǎn)，而是偏向豎板一側(cè).

由圖5(b)可知，側(cè)板內(nèi)表面波峰斷面的應(yīng)力分布總體上呈矮拱形，應(yīng)力在拱頂、拱腳處相對(duì)較大，增加覆土厚度對(duì)側(cè)板應(yīng)力影響不明顯，應(yīng)力值集中于-60～40 MPa.當(dāng)管廊結(jié)構(gòu)兩側(cè)的中粗砂回

(a) 頂板

(b) 側(cè)板

(c) 艙間豎板

(d) 底板

填完成并拆除橫撐后，在側(cè)板下拱腳處測(cè)得的最大應(yīng)力為-92.58 MPa.同一斷面上同時(shí)出現(xiàn)拉應(yīng)力與壓應(yīng)力，說明該斷面存在反彎點(diǎn)，但側(cè)板的寬厚比及臨界屈曲半波長(zhǎng)相對(duì)較大，受壓區(qū)不會(huì)出現(xiàn)局部屈曲問題，即持續(xù)加載過程中側(cè)板穩(wěn)定性未受影響.

由圖5(b)可知，板內(nèi)表面波峰斷面的應(yīng)力受頂板覆土厚度的影響不明顯，應(yīng)力在拱頂、拱腳處相對(duì)較大，應(yīng)力值集中于-60 ～ 40 MPa.同一斷面上同時(shí)出現(xiàn)拉應(yīng)力與壓應(yīng)力，說明側(cè)板存在反彎點(diǎn)，但側(cè)板的寬厚比及臨界屈曲半波長(zhǎng)相對(duì)較大，受壓區(qū)不會(huì)出現(xiàn)局部屈曲問題，持續(xù)加載過程中側(cè)板穩(wěn)定性未受影響.受側(cè)向土壓力的約束作用，側(cè)板的強(qiáng)度及穩(wěn)定性均未變化，由此體現(xiàn)了弧形波紋鋼側(cè)板良好的受力性能.同時(shí)，這類方拱形截面的地下管廊結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間遠(yuǎn)大于圓形、管拱形和梨形管，便于后期管線安裝.

由圖5(c)可以看出，艙間豎板的整個(gè)內(nèi)表面波峰斷面應(yīng)力較小，分布平緩，僅在頂部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象.由于豎板與艙間混凝土共同形成承載性能優(yōu)良的鋼-混組合結(jié)構(gòu)，因此載荷被混凝土部分分擔(dān)，豎板應(yīng)力值僅集中在-15～15 MPa之間，豎板頂部與頂板連接處測(cè)得最大應(yīng)力為-57.78 MPa.綜合管廊底板波峰斷面應(yīng)力集中點(diǎn)多，這是因?yàn)樵诘装灞砻娴幕炷翝仓┕?duì)傳感光纜存在一定影響而且底板兩端的約束剛度不一致.覆土厚度對(duì)底板應(yīng)力的影響較小，當(dāng)覆土厚度達(dá)10 m時(shí)測(cè)得底板最大應(yīng)力為19.67 MPa(見圖5(d)).由于底板處在混凝土層之間，故從強(qiáng)度的角度評(píng)價(jià)，底板偏于安全.

為了使波紋鋼綜合管廊各板片的典型波峰、波谷斷面應(yīng)力直觀顯現(xiàn)，各斷面拱頂應(yīng)力隨加載工況的變化趨勢(shì)見圖6，加載工況見表1.可以看出，在結(jié)構(gòu)兩側(cè)回填中粗砂過程中，各板片拱頂應(yīng)力變化較小；拆除橫撐后側(cè)板拱頂應(yīng)力增大，而其他板片應(yīng)力變化有限；結(jié)構(gòu)頂部覆土厚度超過1 m后，頂板拱頂應(yīng)力開始顯著增大，覆土厚度達(dá)10 m時(shí)，頂板外表面波峰、波谷斷面的拱頂應(yīng)力分別為-342.26和308.09 MPa，而其他板片的拱頂應(yīng)力隨覆土厚度的增加變化平緩.因此，波紋鋼綜合管廊的力學(xué)響應(yīng)主要體現(xiàn)在頂板上，頂板為主要的監(jiān)測(cè)對(duì)象.

圖6 不同板片波峰及波谷斷面的拱頂應(yīng)力變化

表1 加載工況

2.2 接縫螺栓應(yīng)力

波紋鋼綜合管廊的各板片連接時(shí)采用螺栓型接縫，接縫的破壞機(jī)理復(fù)雜.縱向接縫受力取決于連接形式、材料強(qiáng)度及安裝工藝等，環(huán)向接縫屬于彎矩傳遞型連接，其受力與縱向地基剛度差異、覆土厚度變化等因素密切相關(guān).目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)波紋鋼板螺栓連接的相關(guān)研究尚不多見[19].本文對(duì)典型的縱向、環(huán)向接縫螺栓的軸向應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試.

縱向接縫采用M20型螺栓進(jìn)行連接，典型螺栓在整個(gè)回填加載過程中的軸向應(yīng)力變化趨勢(shì)如圖7所示，各螺栓位置見圖3(c).由圖可知，連接底板與豎板的24#螺栓在覆土厚度超過7 m后軸向拉應(yīng)力急劇增大，這主要受吊裝混凝土塊時(shí)加載速率過快及加載不平衡影響，加載完成后應(yīng)力最大值達(dá)49.27 MPa，但遠(yuǎn)小于高強(qiáng)螺栓連接副的抗拉強(qiáng)度.主要原因在于：①已焊接角鋼的拱形波紋板接縫連接件與板片存在一定角度，在外荷載作用下有利于連接件壓緊；②連接件之間的密封材料有效增大了摩擦面的抗滑移系數(shù)，有利于發(fā)揮高強(qiáng)螺栓性能.對(duì)于軸向受壓的螺栓，由于Q345連接件承壓強(qiáng)度相對(duì)較高，達(dá)到590 MPa，因此受壓螺栓在整個(gè)回填加載過程中偏于安全.通過分階段加載和延長(zhǎng)各工況間靜置時(shí)間，可以加快土體固結(jié)、沉降，分散集中載荷，引起結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形，有利于降低螺栓桿軸向應(yīng)力.

圖7 縱向接縫螺栓軸向應(yīng)力變化趨勢(shì)

綜合管廊接頭處的環(huán)向接縫采用M16型螺栓進(jìn)行連接，由于管廊接頭易受地基不均勻沉降的影響，故將環(huán)向接縫螺栓作為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的主要監(jiān)測(cè)對(duì)象.圖8給出了環(huán)向接縫螺栓在整個(gè)回填加載過程中的軸向應(yīng)力變化趨勢(shì)，各螺栓位置見圖3(b).由圖可知，8#螺栓始終承受相對(duì)較大的拉應(yīng)力，但均小于高強(qiáng)螺栓連接副的抗拉強(qiáng)度；在管廊結(jié)構(gòu)兩側(cè)回填中粗砂的階段，受非對(duì)稱回填影響，各螺栓均出現(xiàn)了應(yīng)力跳躍點(diǎn)，其中1#螺栓的最大軸向應(yīng)力達(dá)到120.96 MPa，繼續(xù)加載后應(yīng)力趨于平穩(wěn).

圖8 環(huán)向接縫螺栓軸向應(yīng)力變化趨勢(shì)

根據(jù)高強(qiáng)螺栓摩擦型連接的計(jì)算方法[19]，在螺栓桿軸方向受拉的連接中，考慮螺栓群承載力折減的單個(gè)高強(qiáng)螺栓抗拉承載力為

(3)

根據(jù)圖8中的測(cè)試結(jié)果，可計(jì)算得到環(huán)向接縫螺栓的最大軸向拉力為

(4)

式中，σmax為最大軸向拉應(yīng)力；A為螺栓的實(shí)際截面面積.

由于接頭處環(huán)向接縫螺栓的最大軸向拉力遠(yuǎn)小于其抗拉承載力，因此螺栓及連接件是安全的.

2.3 波紋鋼板變形及結(jié)構(gòu)沉降

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中采用全站儀對(duì)波紋鋼板變形、結(jié)構(gòu)整體沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè).頂板各測(cè)點(diǎn)位置見圖3(d)，各測(cè)點(diǎn)相對(duì)變形如圖9所示，回填高度以結(jié)構(gòu)底板位置為原點(diǎn)，根據(jù)圖1所示的管廊結(jié)構(gòu)尺寸，回填至頂板時(shí)回填高度為3.3 m，相對(duì)變形以隆起為正，下沉為負(fù).在管廊結(jié)構(gòu)兩側(cè)回填中粗砂至頂板時(shí)，弧形頂板受側(cè)向土壓力作用而向上隆起，拱頂隆起量為0.60 mm.結(jié)構(gòu)頂板繼續(xù)回填加載過程中，拱頂變形由隆起轉(zhuǎn)為下沉，當(dāng)頂板覆土厚度分別為4.5、7、10 m時(shí)，拱頂下沉量分別為2.10、4.10、7.90 mm.由于頂板兩端的約束剛度不同，與拱頂對(duì)稱的監(jiān)測(cè)點(diǎn)X14、X16的變形量也不一致.因此，頂板先隆起后下沉，拱頂處在頂板覆土厚度為10 m時(shí)產(chǎn)生最大下沉量7.90 mm.

圖9 不同回填高度下頂板各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)變形

根據(jù)目前鋼結(jié)構(gòu)頂板(金屬板屋面)撓度容許值算法[20]，有

(5)

式中，γT為永久和可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的撓度容許值，mm；l為構(gòu)件的跨度，mm.

現(xiàn)場(chǎng)綜合管廊頂板的撓度容許值為13.67 mm，大于頂板拱頂處的最大下沉量.因此，從變形的角度評(píng)價(jià)，頂板是偏于安全的.

綜合管廊側(cè)板在不同加載工況下的變形趨勢(shì)如圖10所示，其中各測(cè)點(diǎn)位置見圖3(d)，橫坐標(biāo)回填高度以結(jié)構(gòu)底板位置為原點(diǎn)，回填至頂板時(shí)回填高度為3.3 m.由圖可知，在結(jié)構(gòu)兩側(cè)回填階段，弧形側(cè)板受側(cè)向土壓力作用而產(chǎn)生向內(nèi)的壓縮，拱頂壓縮量為3.30 mm.結(jié)構(gòu)頂板繼續(xù)回填加載過程中，拱頂變形由向內(nèi)壓縮轉(zhuǎn)為外拱，當(dāng)頂板覆土厚度分別為4.5和10 m時(shí)，拱頂外拱量分別為0.50和4.20 mm.因此，側(cè)板先向內(nèi)壓縮后向外凸出，拱頂處在覆土厚度為10 m時(shí)產(chǎn)生最大外拱量4.20 mm.

圖10 不同加載工況下側(cè)板的變形趨勢(shì)

由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在典型的長(zhǎng)江漫灘軟土場(chǎng)地進(jìn)行，因此波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)的沉降變化是重要的監(jiān)測(cè)內(nèi)容之一.頂部覆土厚度為10 m時(shí)結(jié)構(gòu)的沉降趨勢(shì)見圖11.沿著綜合管廊結(jié)構(gòu)縱向共設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)面，沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)均布設(shè)在底板上，如圖3(d)中拱頂處X7及拱腳處X8，右艙的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置與左艙相似.由圖可知，右艙沉降相對(duì)均勻，接頭處差異沉降量為0.80 mm.左艙沉降變化明顯，監(jiān)測(cè)斷面1和監(jiān)測(cè)斷面6的沉降量分別為35.40和42.50 mm，沿著縱向結(jié)構(gòu)沉降持續(xù)增大，最大沉降量相差7.10 mm，但接頭處差異沉降量?jī)H為1.10 mm，表明管廊結(jié)構(gòu)在極限荷載作用下主要引發(fā)整體沉降.

波紋鋼綜合管廊接頭以栓接壓緊密封墊的形式串聯(lián)各節(jié)廊段，裝配完成后高強(qiáng)螺栓產(chǎn)生預(yù)緊力，接頭穩(wěn)定閉合.當(dāng)回填施工不均勻、存在局部堆載或鄰近開挖卸荷時(shí)，接頭發(fā)生張開移位，將影響其受力狀態(tài)或密封效果.本文現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中利用測(cè)縫計(jì)對(duì)接頭張開位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其中測(cè)縫計(jì)布設(shè)位置見圖3(e)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖12所示.在管廊結(jié)構(gòu)兩側(cè)回填階段，測(cè)縫計(jì)J1的監(jiān)測(cè)值急劇增大至0.25 mm，表明接頭張開位移發(fā)生在上部，這是因?yàn)榛靥钍┕は群笤趦晒?jié)廊段的側(cè)面進(jìn)行，引起側(cè)向土壓力不對(duì)稱、不平衡所致.頂板覆土厚度在0 ～ 7 m的過程中，吊裝堆載混凝土塊存在偏載現(xiàn)象，加載至7 m時(shí)測(cè)縫計(jì)J1出現(xiàn)最大值0.43 mm，靜置一定時(shí)間后土體-結(jié)構(gòu)經(jīng)協(xié)調(diào)變形，J1監(jiān)測(cè)值逐漸降低，繼續(xù)加載后接頭張開量進(jìn)一步減小.其他測(cè)縫計(jì)的監(jiān)測(cè)值普遍較小，表明外部載荷主要影響接頭上部，而加載方式、加載速率、靜置時(shí)間等對(duì)管廊結(jié)構(gòu)接頭的影響較大.

圖12 不同加載工況下接頭張開位移趨勢(shì)

2.4 綜合管廊結(jié)構(gòu)滲漏水檢測(cè)

波紋鋼綜合管廊防滲涉及地質(zhì)條件、防水材料、施工工藝、人為因素、復(fù)雜荷載等多個(gè)環(huán)節(jié)，是綜合管廊運(yùn)行維護(hù)階段的主要檢測(cè)內(nèi)容之一.本文現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，頂板覆土厚度達(dá)10 m后結(jié)構(gòu)并未被破壞，因此有必要進(jìn)行綜合管廊滲漏水試驗(yàn)[21].

當(dāng)卸載混凝土塊后，在管廊結(jié)構(gòu)頂部的回填土范圍內(nèi)開挖4 m×4 m×1.8 m(長(zhǎng)×寬×深)的注水坑，注滿水并保持滿水狀態(tài).同時(shí)向左艙消防用注水口注水，水壓保持為0.20 MPa，使水流充分分布在整個(gè)波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)外側(cè).靜置一定時(shí)間后，檢查艙內(nèi)滲漏水情況.結(jié)果表明，艙內(nèi)無漏水現(xiàn)象，僅出現(xiàn)3處小面積濕漬，且單個(gè)濕漬的最大面積小于0.1 m2.

3 結(jié)論

1) 波紋鋼綜合管廊承載性能優(yōu)越，在極限載荷(設(shè)計(jì)覆土厚度的3倍)作用下，結(jié)構(gòu)仍處于正常工作狀態(tài)，最大應(yīng)力值為356.78 MPa.從強(qiáng)度及變形的角度，頂板都是重要的安全控制主體，其波峰斷面應(yīng)力、拱頂變形隨加載進(jìn)行而大幅增加.覆土厚度對(duì)其他波紋板的應(yīng)力、變形影響不顯著，且遠(yuǎn)小于頂板的相應(yīng)監(jiān)測(cè)值.

2) 裝配式波紋鋼綜合管廊螺栓型接縫受力機(jī)理復(fù)雜.根據(jù)高強(qiáng)螺栓摩擦型連接的驗(yàn)算方法，典型螺栓受力均未達(dá)到單個(gè)螺栓的抗拉承載力，整個(gè)加載過程中螺栓及連接件未被破壞，縱向及環(huán)向接縫未出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，且滲漏水指標(biāo)達(dá)到二級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn).

3) 綜合管廊頂板拱頂處變形量最大，覆土厚度為10 m時(shí)變形達(dá)7.90 mm，接頭處最大差異沉降量為1.10 mm，均滿足現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范.

4) 裝配式波紋鋼綜合管廊的安全運(yùn)營(yíng)應(yīng)充分考慮地質(zhì)條件、施工工藝、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形要求、外觀表象等.因此，在綜合管廊服役期需持續(xù)對(duì)典型廊段進(jìn)行監(jiān)測(cè).

致謝特別感謝南京大學(xué)、江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司及南京聯(lián)眾工程技術(shù)有限公司的鼎力支持.