預制板式拼裝混凝土綜合管廊整體結(jié)構(gòu)受力性能分析*

薛偉辰 陳盛揚 胡翔

同濟大學土木工程學院 上海200092

引言

綜合管廊是指在城市地下建造一個隧道空間，將電力、通信、燃氣、給排水等市政管線收納其中，實施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一管理，是保障城市運行的生命線工程。目前，我國綜合管廊施工通常采用現(xiàn)澆和預制拼裝兩種方式，預制拼裝綜合管廊是在工廠內(nèi)分節(jié)段澆筑成型，現(xiàn)場采用拼裝工藝施工形成整體的綜合管廊。預制拼裝混凝土綜合管廊與現(xiàn)澆管廊相比，具有良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益，近年來在國內(nèi)發(fā)展較快［1］。

針對最為常用的箱型截面管廊結(jié)構(gòu)，工程中有四種常見的節(jié)段預制拼裝方案：整艙預制拼裝、預制槽型拼裝、預制板拼裝和疊合板拼裝。其中預制混凝土板拼裝綜合管廊將管廊預制橫向節(jié)段拆分成預制底板、預制壁板和預制頂板等，預制構(gòu)件質(zhì)量小、便于運輸和吊裝，可以滿足大截面管廊的施工要求［2］。

本文作者所在研究團隊提出了一種預制混凝土板式拼裝綜合管廊的結(jié)構(gòu)方案，該預制拼裝綜合管廊由預制底板、預制壁板和預制頂板等構(gòu)件組成，其中預制底板與預制壁板采用套筒灌漿連接，預制頂板與預制壁板通過現(xiàn)澆混凝土節(jié)點核心區(qū)連接［3］。并針對上述預制混凝土板式拼裝綜合管廊，開展了典型節(jié)點足尺模型和整體結(jié)構(gòu)足尺模型的低周反復荷載試驗［4］，系統(tǒng)研究了預制混凝土板式拼裝綜合管廊節(jié)點與整體結(jié)構(gòu)的受力性能。為了進一步分析關(guān)鍵參數(shù)對預制混凝土板式拼裝綜合管廊整體結(jié)構(gòu)受力性能的影響，本文擬在試驗研究的基礎(chǔ)上，開展預制混凝土板式拼裝綜合管廊整體結(jié)構(gòu)非線性有限元參數(shù)分析。

1 有限元建模

1.1 材料本構(gòu)、單元選取

預制混凝土板式拼裝綜合管廊整體結(jié)構(gòu)有限元分析模型如圖1所示。混凝土單元采用C3D8R

單元，鋼筋采用T3D2單元，模型中混凝土和鋼筋按50mm尺寸進行網(wǎng)格單元劃分?；炷敛捎脫p傷塑性模型，為更好地表現(xiàn)出混凝土材料的塑性損傷特性，模型中設(shè)置了混凝土材料的拉伸損傷和壓縮損傷系數(shù)。鋼筋本構(gòu)采用雙折線模型，各鋼筋屈服強度和彈性模量均根據(jù)試驗中鋼筋實測力學性能指標進行設(shè)置，以更好地模擬實際結(jié)構(gòu)的受力性能。

1.2 關(guān)鍵問題的處理

預制拼縫面是預制結(jié)構(gòu)有別于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的重要特征之一。本文拼縫面的處理采用在對應接觸面上設(shè)置“表面與表面接觸”的相互作用。法向為“硬接觸”，且允許接觸后分離，切向摩擦系數(shù)取0.8，兩側(cè)混凝土與其的界面接觸屬性設(shè)置為綁定。

圖1 綜合管廊整體構(gòu)件有限元模型Fig.1 Finite element model of utility tunnel

2 有限元模型試驗驗證

2.1 試驗概況

以地下某綜合管廊項目為背景，對其抗震性能進行了研究。試件配筋如圖2所示，試驗中預制管廊由預制實心板拼裝而成，側(cè)壁與底板采用套筒灌漿連接，拼縫面位于腋角變截面以上300mm，側(cè)壁與頂板采用核心區(qū)現(xiàn)澆連接。試件所用混凝土強度等級均為C40，主要受力鋼筋強度等級為HRB400。試驗中，按照我國《建筑抗震試驗方法規(guī)程》（JGJ 101—96）中規(guī)定的荷載-位移混合控制加載方法施加水平低周反復荷載。

圖2 試件配筋及試驗加載Fig.2 Specimen reinforcement of test loading

2.2 有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果對比

為了驗證本文建立的預制混凝土板式拼裝綜合管廊非線性有限元分析模型的準確性，將有限元分析得到的破壞形態(tài)、承載力與試驗結(jié)果進行對比。

1.破壞形態(tài)

在水平荷載的作用下，預制管廊的有限元模型與試驗試件的整體變形對比如圖3所示，各試件有限元模型混凝土和鋼筋的mises應力云圖如圖4所示。由圖4可知，有限元模型得到的整體變形與試驗現(xiàn)象基本一致，整體模型的破壞模式均為壁板與腋角交界處截面受彎破壞。下部拼縫處有明顯的變形，與試驗時實際觀察到的變形現(xiàn)象基本一致。鋼筋及混凝土的mises應力云圖中，在水平荷載作用下，計算模型受壓側(cè)混凝土達到極限壓應變，受拉側(cè)縱筋受拉屈服，這與試驗中觀測到的試件破壞形態(tài)基本一致。

圖3 綜合管廊試驗和有限元變形Fig.3 Comparison of finite element and experiment deformation of utility tunnel

圖4 混凝土和鋼筋Mises應力云圖（單位：MPa）Fig.4 Mises stress of concrete and reinforcement（unit：MPa）

2.承載能力

從圖5和表1可知，有限元計算得到的管廊試件的骨架曲線與試驗所得的骨架曲線總體形狀及變化趨勢相近。有限元分析得到的峰值荷載和試驗得到的峰值荷載基本一致，與試驗值相比，峰值荷載相差在4.2%以內(nèi)。所以本文建立的預制混凝土板式綜合管廊非線性有限元分析模型計算得到的結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好，該模型可用于預制混凝土板式綜合管廊的全過程有限元分析。

表1 綜合管廊下部節(jié)點試件水平承載力Tab.1 Horizontal bearing capacity of joint specimen in lower part of utility tunnel

圖5 試件骨架曲線Fig.5 Skeleton curves of the specimen

3 有限元參數(shù)分析

基于前一節(jié)建立的預制混凝土板拼裝綜合管廊整體有限元模型，分析了有無腋角、拼縫位置、底板預制構(gòu)造等因素對管廊整體結(jié)構(gòu)受力性能的影響，為進一步開展預制混凝土板拼裝綜合管廊整體試件的試驗研究提供設(shè)計建議。綜合管廊整體試件有限元模型參數(shù)見表2。

表2 試件參數(shù)Tab.2 Specimen parameters

3.1 有無腋角

綜合管廊節(jié)點的腋角能夠增強管廊結(jié)構(gòu)角部抗彎性能并推遲管廊四壁的開裂，腋角對試件的強度、剛度和變形能力有顯著影響，為此本文對預制混凝土板式拼裝綜合管廊整體結(jié)構(gòu)有腋角（PT1）和無腋角（PT2）進行有限元分析。得到整體管廊有無腋角下的混凝土及鋼筋應力云圖以及荷載-位移曲線，如圖6、圖7所示。

由圖6可知，在水平荷載的作用下有無腋角試件的破壞模式均為壁板與底板拼接處受彎破壞。二者混凝土和鋼筋應力云圖較為相似，均在左右兩側(cè)壁板上部出現(xiàn)應力最大值。但有腋角試件混凝土和鋼筋應力較大區(qū)域出現(xiàn)在壁板與腋角交界區(qū)域附近，無腋角試件混凝土和鋼筋應力較大區(qū)域出現(xiàn)在壁板與頂板交界區(qū)域附近。

圖6 有無腋角構(gòu)件應力云圖（單位：MPa）Fig.6 Mises stress of concrete and reinforcement with or without haunch（unit：MPa）

由圖7可知，開裂前，腋角對試件剛度的影響不大，試件的荷載-位移曲線基本重合；開裂后，腋角的取消會降低節(jié)點的剛度，但不同試件的荷載-位移曲線仍具有基本相同的變化規(guī)律。腋角的取消使試件的承載力下降了13%，并且使得試件峰值位移顯著變大。

圖7 有無腋角骨架曲線Fig.7 Load-displacement curves with or without haunch

3.2 底板構(gòu)造形式

預制混凝土板式拼裝綜合管廊可以采用底板預制的構(gòu)造形式也可以采用底板現(xiàn)澆的構(gòu)造形式，其中底板預制形式拼縫位于底板上表面以上500mm或300mm，底板現(xiàn)澆形式拼縫位于底板上表面。針對預制混凝土板拼裝綜合管廊底板預制（模型PT1）、底板現(xiàn)澆（模型PT4）這兩種試件進行了有限元分析。得到不同預制構(gòu)造模型的混凝土及鋼筋應力云圖以及荷載-位移曲線如圖8、圖9所示。

圖8 不同預制構(gòu)造構(gòu)件應力云圖（單位：MPa）Fig.8 Mises stress of concrete and reinforcement for different prefabricated construction models（unit：MPa）

圖9 不同預制構(gòu)造骨架曲線Fig.9 Load-displacement curves for different prefabricated construction models

由圖8可知，底板預制試件和底板現(xiàn)澆試件的混凝土和鋼筋應力云圖較為相似，均在左右兩側(cè)壁板上部出現(xiàn)應力最大值，且在各自的拼縫位置出現(xiàn)應力集中。由圖9可知，與底板預制試件相比，底板現(xiàn)澆試件的承載能力降低了27%，底板現(xiàn)澆試件的峰值位移顯著增大，試件荷載-位移曲線較為平緩，下降段不明顯。開裂前不同預制構(gòu)造試件的剛度差別不大，荷載-位移曲線基本重合；開裂后，底板現(xiàn)澆試件的剛度明顯低于底板預制試件；底板預制試件的荷載-位移曲線后期承載力下降明顯，但底板現(xiàn)澆試件后期承載力下降十分緩慢。

3.3 側(cè)壁與底板拼縫位置

對于預制混凝土板拼裝綜合管廊整體試件，在相同荷載作用下不同拼縫位置的彎矩、剪力有所不同，因此拼縫位置的不同對管廊整體結(jié)構(gòu)的受力、變形有所影響。本文針對預制混凝土板拼裝綜合管廊拼縫在底板上表面以上500mm（模型PT2）、拼縫在底板上表面以上300mm（模型PT3）這兩種試件進行了有限元分析。不同拼縫位置模型混凝土及鋼筋應力云圖如圖10所示，荷載-位移曲線對比如圖11所示。

圖10 不同拼縫位置構(gòu)件應力云圖（單位：MPa）Fig.10 Mises stress of concrete and reinforcement for different stitching locations（unit：MPa）

圖11 不同拼縫位置骨架曲線Fig.11 Load-displacement curves for different stitching locations

由圖10可知，兩個整體模型的破壞模式均為壁板與腋角交界處截面受彎破壞，下部拼縫處有明顯的變形。不同拼縫位置試件的混凝土和鋼筋應力云圖較為相似，均在左右兩側(cè)壁板上部出現(xiàn)應力最大值，且在各自的拼縫位置出現(xiàn)應力集中。由圖11可知，開裂前，不同拼縫位置試件的剛度差別不大，荷載-位移曲線基本重合；開裂后，拼縫位于底板以上500mm試件的剛度稍高于拼縫位于底板以上300mm試件，但其荷載-位移曲線仍具有基本一致的變化規(guī)律。不同拼縫位置試件峰值承載能力相差不大，差值在8%以內(nèi)。

4 結(jié)語

通過有限元分析以及試驗驗證，研究了有無腋角、底板預制和現(xiàn)澆構(gòu)造、側(cè)壁與底板拼縫位置對預制混凝土板式拼裝綜合管廊整體結(jié)構(gòu)受力性能的影響。有限元分析結(jié)果表明：

1.腋角的存在可以顯著提高試件的極限承載力，提高約13%。開裂前腋角對試件剛度的影響不大，開裂后腋角的存在會增加試件的剛度。

2.對于綜合管廊整體結(jié)構(gòu)，底板構(gòu)造的不同對試件的受力和變形影響較大。與底板預制試件相比，底板現(xiàn)澆試件的承載能力降低了27%，

開裂前不同預制構(gòu)造試件的剛度差別不大，荷載-位移曲線基本重合；開裂后，底板現(xiàn)澆試件的剛度明顯低于底板預制試件。

3.對于綜合管廊整體結(jié)構(gòu)，拼縫位置的改變對綜合管廊節(jié)點和整體結(jié)構(gòu)的極限承載力影響不大，極限承載力相差不超過8%。不同拼縫位移的綜合管廊整體結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線基本重合或具有基本相同的變化規(guī)律。