地下結(jié)構(gòu)閉腔薄壁預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

黃美群

(1. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司, 北京 100037； 2. 城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國(guó)家工程研究中心, 北京 100037)

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配技術(shù)是綠色建造技術(shù)的發(fā)展方向，是工業(yè)化建造模式的核心。經(jīng)過(guò)近10年的研究和應(yīng)用，我國(guó)軌道交通地鐵車(chē)站裝配式結(jié)構(gòu)建造技術(shù)取得了一定的成績(jī)，目前已在國(guó)內(nèi)長(zhǎng)春、青島和深圳等多個(gè)城市得到應(yīng)用推廣。閉腔薄壁構(gòu)件是為解決大型地鐵車(chē)站裝配式結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件體量大、運(yùn)輸和吊裝困難等問(wèn)題而研發(fā)的輕量化結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)用后可顯著減輕構(gòu)件重量、減少混凝土用量和降低工程造價(jià)[1-2]。

矩形實(shí)體混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件構(gòu)造簡(jiǎn)單、制作方便，但在受彎破壞時(shí)，受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂退出工作，使得這些部位的混凝土不能再發(fā)揮承載作用； 同時(shí)，越是靠近中性軸部位的混凝土，其所發(fā)揮的抗彎承載作用就越小。將上述對(duì)抗彎無(wú)貢獻(xiàn)或抗彎作用較小、位于截面核心區(qū)域附近的混凝土去除，在較少或基本不削弱構(gòu)件承載能力的同時(shí)，可以達(dá)到構(gòu)件輕量化的目的。實(shí)際工程中最為常見(jiàn)的輕量化構(gòu)件有預(yù)制T形、工形、∏形、箱形等構(gòu)件，這些輕量化構(gòu)件在地面建筑和橋梁工程中應(yīng)用廣泛，地面建筑的預(yù)制圓孔板也是典型的輕量化構(gòu)件。

閉腔薄壁預(yù)制構(gòu)件是在矩形截面混凝土構(gòu)件中心應(yīng)力水平較低的部位設(shè)置若干個(gè)封閉的空腔體，形成由上翼緣、下翼緣、邊縱肋、中縱肋、橫隔板及端頭板等薄壁板肋組成的構(gòu)件[3-4]，其空腔截面類(lèi)似于箱形，示意見(jiàn)圖1。

(a) 縱斷面(底板結(jié)構(gòu))

(b) 橫截面

長(zhǎng)春地鐵裝配式車(chē)站為明挖地下2層單拱大跨隧道結(jié)構(gòu)，寬20.5 m、高17.45 m，襯砌結(jié)構(gòu)由7塊環(huán)寬2 m的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件組成，全部構(gòu)件采用閉腔薄壁預(yù)制構(gòu)件。單環(huán)結(jié)構(gòu)總質(zhì)量292.5 t，總體積144 m3，其中，空腔體積27 m3，空腔率為18.75%，輕量化效果顯著[5]。長(zhǎng)春地鐵裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu)及閉腔薄壁構(gòu)件示意見(jiàn)圖2。

(a) 車(chē)站結(jié)構(gòu) (b) 閉腔薄壁構(gòu)件

輕量化設(shè)計(jì)的必要性顯而易見(jiàn)。然而，裝配式地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)體系龐大、復(fù)雜，并承受巨大的水土荷載作用。構(gòu)件尺度大、配筋率高，是典型的偏心受壓構(gòu)件，且在構(gòu)件不同部位呈現(xiàn)雙向彎曲的受力特性，構(gòu)件橫截面上、下均需要有效抵抗正、負(fù)彎矩作用，并滿足配筋需要；與此同時(shí)，還需要考慮每個(gè)預(yù)制構(gòu)件四周環(huán)向和縱向接頭的可靠連接和接縫密封防水性能，因此，地鐵裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)難度較大。研究發(fā)現(xiàn)，閉腔薄壁構(gòu)件不僅輕量化效果顯著，而且力學(xué)性能優(yōu)良，是實(shí)現(xiàn)大型裝配式地下結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)很好的解決方案。

閉腔薄壁構(gòu)件在地下結(jié)構(gòu)中的研究和應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外尚屬首例，本文結(jié)合理論研究和實(shí)際工程應(yīng)用情況，針對(duì)大型地鐵車(chē)站裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)要點(diǎn)及閉腔薄壁構(gòu)件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。

1 地下結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)

明挖裝配式車(chē)站等地下結(jié)構(gòu)型式可以是單拱大跨結(jié)構(gòu)，也可以是矩形框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)裝配式結(jié)構(gòu)型式及拆分要求，預(yù)制構(gòu)件可為直線形、弧形、折線形、T字形等多種型式，構(gòu)件尺度大小需要滿足制作工藝、吊運(yùn)條件、拼裝工藝及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求，并需要符合模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求。

預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)基于裝配式地下結(jié)構(gòu)的受力特性、接頭構(gòu)造、接縫防水、結(jié)構(gòu)耐久性等要求，進(jìn)行多方案的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性比選。

1.1 優(yōu)化截面型式

大型裝配式地下結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，可選擇的截面型式主要有閉腔薄壁和∏形等型式，其示意見(jiàn)圖3。構(gòu)件迎土側(cè)應(yīng)設(shè)置翼緣板，以形成擋水、擋土的封閉式襯砌結(jié)構(gòu)；構(gòu)件縱向應(yīng)設(shè)置縱向邊肋，以滿足構(gòu)件縱向接頭和接縫防水的構(gòu)造要求；構(gòu)件端頭應(yīng)設(shè)置端頭板，以滿足構(gòu)件環(huán)向接頭和接縫防水的構(gòu)造要求。

(a) 閉腔薄壁截面 (b) ∏形截面

另外，在2個(gè)邊縱肋之間，根據(jù)翼緣板的寬度和翼緣板的承載性要求可設(shè)置中縱肋。沿構(gòu)件縱向，可根據(jù)構(gòu)件長(zhǎng)度及縱肋的局部穩(wěn)定性要求，設(shè)置一定間距的橫隔板。為適應(yīng)地下結(jié)構(gòu)正負(fù)彎曲雙向作用，在構(gòu)件背土側(cè)設(shè)置另一側(cè)翼緣板，這樣便形成了由上下翼緣、邊縱肋、端頭板等薄壁結(jié)構(gòu)組成的閉腔薄壁構(gòu)件(如圖1所示)。

∏形構(gòu)件(見(jiàn)圖3(b))僅設(shè)置1道翼緣板，為滿足正負(fù)彎曲雙向作用的要求，需要加大邊縱肋板的厚度。∏形預(yù)制構(gòu)件裸裝修時(shí)，可表現(xiàn)出其獨(dú)特的建筑裝飾效果，可在車(chē)站等地下工程的頂拱或頂板結(jié)構(gòu)中采用。圖4為∏形預(yù)制構(gòu)件裝配式地鐵車(chē)站站廳層效果圖。

圖4 ∏形預(yù)制構(gòu)件裝配式地鐵車(chē)站站廳層效果圖

一般情況，T形和工形截面的翼緣板厚度較薄，較難滿足接頭設(shè)置的要求，尤其是T形構(gòu)件，對(duì)于雙向受彎的地下結(jié)構(gòu)，不能較好地發(fā)揮其承載性能。因此裝配式地下結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)不建議采用T形或工形等截面型式的構(gòu)件。

1.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)組合

采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)或鋼-混組合結(jié)構(gòu)等型式，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化組合，是混凝土構(gòu)件輕量化的有效途徑，在地面建筑及地下工程的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。但作為地下工程的襯砌結(jié)構(gòu)，應(yīng)采取措施確保結(jié)構(gòu)的耐久性； 同時(shí)組合結(jié)構(gòu)的造價(jià)較高，需要論證其經(jīng)濟(jì)性。

1.3 提高材料性能

選用高性能材料是達(dá)到構(gòu)件輕量化要求的另一途徑。提升材料性能，例如采用高強(qiáng)度混凝土材料、采用鋼結(jié)構(gòu)等，在滿足同等承載能力條件下，可有效降低構(gòu)件質(zhì)量。雖然采用低容重混凝土材料能夠有效降低混凝土結(jié)構(gòu)的容重，例如輕骨料混凝土、多孔性混凝土等，但這些材料脆性大，一般只適用于房屋墻板、軌頂風(fēng)道等受荷較小的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而不適用于地下承載結(jié)構(gòu)，尤其是襯砌結(jié)構(gòu)。

2 閉腔薄壁構(gòu)件力學(xué)性能研究

閉腔薄壁構(gòu)件形式復(fù)雜，故在受力后的傳力途徑也相對(duì)復(fù)雜； 同時(shí)，空腔大小及各主要部件的構(gòu)造參數(shù)對(duì)構(gòu)件的力學(xué)性能影響也較大。為此，對(duì)裝配式地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)工程中采用的閉腔薄壁構(gòu)件力學(xué)性能進(jìn)行了深入研究，其研究成果對(duì)閉腔薄壁構(gòu)件截面設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

2.1 截面剪力滯效應(yīng)

2.1.1 基本概念

初等梁理論中，截面應(yīng)變符合平截面假定。構(gòu)件彎曲后，鋼筋應(yīng)變與混凝土的應(yīng)變相同。截面各點(diǎn)應(yīng)變與該點(diǎn)到中性軸的距離成正比，即離中性軸同一距離的截面正應(yīng)力沿梁寬度方向是相等的。對(duì)于帶有梁肋的T形梁、工形梁、∏形梁或箱形梁等構(gòu)件，在受彎作用下產(chǎn)生內(nèi)力和變形，是通過(guò)梁肋的剪切變形傳遞給翼板； 而剪應(yīng)變?cè)谙蛞砭壈鍍?nèi)橫向傳遞的過(guò)程中是不均勻的，使得翼緣板的正應(yīng)力隨著離梁肋的距離增加而減小，這種現(xiàn)象被稱為“剪力滯后”，簡(jiǎn)稱剪力滯效應(yīng)[6-9]。

2.1.2 工程界研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

在建筑和橋梁工程領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了大量研究。衡量剪力滯效應(yīng)大小的主要指標(biāo)是剪力滯系數(shù)(考慮剪力滯效應(yīng)時(shí)的翼緣板正應(yīng)力與按初等梁理論求得的翼板正應(yīng)力之比)。剪力滯系數(shù)與梁的跨寬比、截面形式和尺寸、截面在跨內(nèi)所處位置等因素有關(guān)，通常應(yīng)力峰值大于按初等梁理論計(jì)算出來(lái)的值。如果工程設(shè)計(jì)時(shí)忽略剪力滯后效應(yīng)的影響，可能導(dǎo)致梁截面的破壞。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，國(guó)內(nèi)外早年的橋梁工程中出現(xiàn)過(guò)不少因?qū)袅笮?yīng)考慮不周、不能滿足翼緣板的承載力要求而出現(xiàn)裂縫，造成橋梁的失穩(wěn)和局部破壞的現(xiàn)象[6]。

工程界在對(duì)各種帶肋梁的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上提出了受壓區(qū)翼緣“有效計(jì)算寬度”的概念，即將翼緣實(shí)際寬度折減為有效計(jì)算寬度，并假定在有效寬度范圍內(nèi)應(yīng)力均勻分布，有效寬度以外的翼緣不起作用，使有效寬度按初等梁理論算得的應(yīng)力值和實(shí)際的峰值接近，以滿足翼緣板承載力的要求，確保結(jié)構(gòu)的安全。目前，這種翼緣“有效計(jì)算寬度”的方法已被各國(guó)規(guī)范廣泛采用[10-11]。

2.1.3 閉腔薄壁構(gòu)件剪力滯效應(yīng)分析

2.1.3.1 剪力滯系數(shù)

地下結(jié)構(gòu)與建筑或橋梁工程的受力環(huán)境及荷載作用特性不同，尤其是應(yīng)用于裝配式地下結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)受力、接頭構(gòu)造、防水性能等要求，且所確定的閉腔薄壁構(gòu)件在構(gòu)造形式和尺寸方面與橋梁工程的箱型梁結(jié)構(gòu)存在一定的差別。為進(jìn)一步探討這一帶肋閉腔薄壁構(gòu)件的力學(xué)行為特性，以長(zhǎng)春地鐵裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu)為例，選取3環(huán)實(shí)際裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu)，建立地層-結(jié)構(gòu)三維連續(xù)介質(zhì)模型進(jìn)行整體有限元分析，研究每塊構(gòu)件不同部位的截面在實(shí)際荷載作用下的內(nèi)應(yīng)力分布特征[3-5]。

研究發(fā)現(xiàn)，閉腔薄壁構(gòu)件在偏心受壓作用下，上下翼緣的正應(yīng)力在橫截面的分布不均勻，與肋板交匯處大、中部小，存在典型的剪力滯效應(yīng)，截面應(yīng)力峰值較初等梁理論計(jì)算值有所放大，最大正剪力滯系數(shù)為1.01～1.11。閉腔薄壁構(gòu)件截面正應(yīng)力分布示意如圖5所示。

2.1.3.2 影響剪力滯效應(yīng)的主要因素

對(duì)于裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu)，構(gòu)件構(gòu)造、截面位置、截面幾何特征及軸力大小作用等是影響剪力滯效應(yīng)的主要因素。

圖5 閉腔薄壁構(gòu)件截面正應(yīng)力分布示意圖(顯示比例放大后效果)(單位： MPa)

1)構(gòu)件形式和位置。長(zhǎng)春地鐵裝配式車(chē)站整個(gè)襯砌結(jié)構(gòu)共7塊構(gòu)件。其中，底板和側(cè)墻構(gòu)件基本為直構(gòu)件，其最大正剪力滯系數(shù)為1.01～1.08，以1.05左右為主，整體變化幅度不大；頂拱塊最大正剪力滯系數(shù)為1.01～1.66，以1.02左右為主，主要為壓應(yīng)力。位于拱腳處的截面，內(nèi)外剪力滯系數(shù)均較大，且范圍很小，分析其主要原因是接近支座范圍的局部應(yīng)力集中明顯而導(dǎo)致應(yīng)力的跳躍?？梢钥闯?，整個(gè)裝配式結(jié)構(gòu)，除個(gè)別截面外，各構(gòu)件的剪力滯系數(shù)基本為1.01～1.05，截面應(yīng)力基本接近初等梁理論計(jì)算值，剪力滯效應(yīng)整體較弱。

2)縱向肋板的凈距?？v向肋板的凈距對(duì)剪力滯效應(yīng)影響較大，凈距越大，剪力滯效應(yīng)越明顯。當(dāng)縱肋凈距達(dá)到660 mm時(shí)，截面正應(yīng)力峰值接近初等梁理論計(jì)算值； 超過(guò)這一臨界值時(shí)，剪力滯效應(yīng)逐漸加大。對(duì)于2.0 m環(huán)寬的實(shí)際構(gòu)件，兩邊縱肋的凈距為1.494 m，在其中間部位設(shè)置厚度為200 mm的中縱肋后，則邊縱肋與中縱肋的凈距為647 mm，略小于660 mm的臨界值，剪力滯效應(yīng)比較微弱。

3)截面位置。構(gòu)件接近支座的空腔截面較中部的空腔截面剪力滯效應(yīng)明顯，例如拱頂?shù)墓澳_部位、底板的墻角部位及側(cè)墻的中樓板部位等，這些部位因支座效應(yīng)的存在，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，因而其空腔截面的表觀剪力滯效應(yīng)較明顯。實(shí)際工程中應(yīng)盡量避開(kāi)在支座位置設(shè)置空腔截面，或通過(guò)加大翼緣板的厚度來(lái)消除或減弱剪力滯效應(yīng)。

4)軸力作用。純受彎構(gòu)件較偏心受壓構(gòu)件的剪力滯效應(yīng)明顯，顯示出軸力對(duì)改善截面剪力滯效應(yīng)有一定的作用。

總體來(lái)看，地鐵車(chē)站裝配式結(jié)構(gòu)閉腔薄壁構(gòu)件與橋梁工程的箱形梁相比，剪力滯效應(yīng)影響程度相對(duì)較弱。主要原因有： 閉腔薄壁構(gòu)件為整體封閉式截面，翼緣板無(wú)外挑； 設(shè)置了中縱肋； 間隔一定的距離設(shè)置了橫隔板；在接頭端頭和支座處采用了實(shí)心截面； 增加大拱腳支座附近的翼緣板厚度，這些構(gòu)造特征可有效降低截面剪力滯效應(yīng)。另外，所有構(gòu)件都在巨大的圍巖壓力作用下產(chǎn)生較大的軸力作用，因此剪力滯效應(yīng)減弱。

2.2 截面剪應(yīng)力分布規(guī)律

我國(guó)現(xiàn)行GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]規(guī)定，T形、工形截面的鋼筋混凝土受彎和偏心受壓構(gòu)件，受剪截面計(jì)算寬度為腹板寬度，計(jì)算高度為截面有效高度，即規(guī)定T形、工形截面的剪應(yīng)力100%由腹板承擔(dān)(含腹板與翼緣板的相交部位)。國(guó)內(nèi)有不少學(xué)者在這方面做過(guò)相關(guān)研究[12-14]。

對(duì)于閉腔薄壁構(gòu)件，研究發(fā)現(xiàn)，在剪力作用下剪應(yīng)力出現(xiàn)了與T形和工形截面相同的分布規(guī)律。其剪應(yīng)力主要分布于3條縱肋上，其中，2條邊縱肋承擔(dān)的剪力各約占32%，中縱肋承擔(dān)的剪力約占36%，全截面剪應(yīng)力100%由縱肋板承擔(dān)。典型斷面剪應(yīng)力分布如圖6所示[5]。

(a) 理論直構(gòu)件剪應(yīng)力分布 (b) 實(shí)際構(gòu)件剪應(yīng)力分布

2.3 構(gòu)造參數(shù)對(duì)構(gòu)件的力學(xué)性能影響

閉腔薄壁構(gòu)件結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜，為此建立三維實(shí)體模型，對(duì)構(gòu)件不同部位的構(gòu)造參數(shù)，包括翼緣、縱肋、橫隔板、端頭板的尺寸和構(gòu)造及空腔率等，對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響進(jìn)行研究[3-5]。

2.3.1 翼緣、縱肋及橫隔板厚度的影響

當(dāng)翼緣板厚度達(dá)到200 mm時(shí)，翼緣的應(yīng)力趨于穩(wěn)定； 縱肋的設(shè)置和尺寸不僅對(duì)截面抗剪性能影響大，而且影響截面剪力滯效應(yīng)； 橫隔板對(duì)控制閉腔薄壁的畸變作用明顯。

2.3.2 構(gòu)件端頭板厚度的影響

構(gòu)件端頭板的設(shè)置意義重大，端頭板直接與環(huán)向接頭連接，是構(gòu)件軸力和彎矩的重要傳遞部位，其厚度即端頭實(shí)心段的長(zhǎng)度應(yīng)能確保實(shí)心截面與空腔截面之間應(yīng)力的完整過(guò)渡。研究發(fā)現(xiàn)，端頭板的厚高比不宜小于0.43。

2.3.3 內(nèi)部空腔率的影響

閉腔薄壁構(gòu)件內(nèi)部設(shè)置空腔是構(gòu)件輕量化的主要手段，但空腔的大小直接影響構(gòu)件的應(yīng)力水平，合理確定空腔率是必要的。通過(guò)各種形式多工況的數(shù)值分析可知，閉腔薄壁構(gòu)件的經(jīng)濟(jì)空腔率不宜大于20%[3]。

3 閉腔薄壁構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 閉腔薄壁構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算分析

3.1.1 基本原則

對(duì)于特殊的閉腔薄壁構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)整體作用效應(yīng)分析時(shí)需要考慮構(gòu)件的薄壁及閉腔空間效應(yīng)，因此建議采用實(shí)體單元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。同時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞路徑和接頭傳力效應(yīng)對(duì)構(gòu)件不同部位橫截面應(yīng)力的影響，并根據(jù)應(yīng)力分布特征合理確定各關(guān)鍵部位的構(gòu)造尺寸，必要時(shí)應(yīng)對(duì)各薄壁板肋結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部受力和穩(wěn)定性驗(yàn)算。

3.1.2 正截面承載力計(jì)算

裝配式車(chē)站等地下結(jié)構(gòu)的閉腔薄壁構(gòu)件是典型的偏心受壓構(gòu)件，且存在一定的截面剪力滯效應(yīng)，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需要考慮其影響。

我國(guó)現(xiàn)行GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]沒(méi)有對(duì)箱形截面的承載力計(jì)算給出規(guī)定，可將箱形截面轉(zhuǎn)化為工形截面。規(guī)范[10]規(guī)定，工形截面偏心受壓構(gòu)件的受壓區(qū)翼緣寬度可采用有效翼緣計(jì)算寬度進(jìn)行正截面承載力計(jì)算。針對(duì)上述的長(zhǎng)春地鐵裝配式結(jié)構(gòu)閉腔薄壁構(gòu)件，根據(jù)規(guī)范計(jì)算結(jié)果，有效翼緣計(jì)算寬度均大于實(shí)際構(gòu)件的翼緣寬度。

我國(guó)現(xiàn)行JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]給出了箱形截面梁在腹板兩側(cè)上、下翼緣有效寬度的計(jì)算方法。參考本規(guī)范規(guī)定，對(duì)上述同樣的閉腔薄壁構(gòu)件進(jìn)行翼緣有效寬度計(jì)算，翼緣有效寬度的計(jì)算系數(shù)為1.0～1.15，大于1.0。

以上規(guī)范計(jì)算結(jié)果表明，閉腔薄壁構(gòu)件采用受壓區(qū)翼緣有效寬度計(jì)算法時(shí)，均可按實(shí)際寬度計(jì)算。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，一般不用具體計(jì)算每個(gè)截面的剪力滯，可以通過(guò)研究并認(rèn)識(shí)到剪力滯效應(yīng)影響后，采用有效寬度的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

鑒于隧道承載結(jié)構(gòu)的受力環(huán)境、荷載特點(diǎn)、力學(xué)行為特征、構(gòu)造要求等一系列因素均與各規(guī)范給出的邊界條件存在較大的不同，適用性存在一定的偏差，即閉腔薄壁構(gòu)件剪力滯效應(yīng)影響的客觀存在，且影響程度相對(duì)較弱，建議在結(jié)構(gòu)正截面承載力計(jì)算時(shí)，截面應(yīng)力或彎矩可以按初等梁理論的計(jì)算結(jié)果乘以剪力滯系數(shù)來(lái)近似考慮剪力滯效應(yīng)的影響。

3.1.3 斜截面承載力計(jì)算

抗剪承載能力設(shè)計(jì)應(yīng)考慮閉腔薄壁構(gòu)件截面剪力分布特征，可按縱向板肋承載100%的剪力設(shè)計(jì)值進(jìn)行斜截面承載力設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.1.4 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

閉腔薄壁構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)的裂縫控制驗(yàn)算和撓度驗(yàn)算應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

3.2 內(nèi)部空腔設(shè)置

預(yù)制構(gòu)件在生產(chǎn)過(guò)程中，可在鋼筋籠內(nèi)設(shè)置若干獨(dú)立的輕質(zhì)材料芯模，澆筑混凝土后形成閉腔薄壁構(gòu)件； 芯膜與鋼筋籠之間應(yīng)設(shè)置墊塊，滿足鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度要求。綜合研究成果，內(nèi)部空腔可參考如下規(guī)則設(shè)置：

1)在構(gòu)件橫截面方向的空腔長(zhǎng)度不宜大于800 mm，且橫截面空腔率(空腔面積/外輪廓面積×100%)不宜大于30%。

2)構(gòu)件縱斷面方向空腔長(zhǎng)度不宜大于3.0 m，且構(gòu)件整體空腔率(空腔體積/外輪廓體積×100%)不宜大于20%。

3)內(nèi)部空腔周邊宜設(shè)置圓順的倒角，且倒角圓弧半徑不宜小于100 mm； 當(dāng)內(nèi)腔空間尺寸較大時(shí)，倒角圓弧半徑宜加大。

3.3 翼緣板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上下翼緣板是閉腔薄壁構(gòu)件最重要的抗彎結(jié)構(gòu)，上下翼緣板的外邊緣縱向受力鋼筋應(yīng)根據(jù)截面極限狀態(tài)計(jì)算配置，臨近空腔的內(nèi)邊緣縱向鋼筋可按翼緣板構(gòu)造配置，配筋率不宜小于0.3%。

除應(yīng)進(jìn)行構(gòu)件整體計(jì)算分析外，還應(yīng)根據(jù)上下翼緣板的實(shí)際荷載作用狀況進(jìn)行翼緣板局部承載力驗(yàn)算。

雖然截面剪力100%均由縱向肋板承擔(dān)，但考慮到翼緣板的局部承載作用，以及各縱肋結(jié)構(gòu)的整體性，應(yīng)在翼緣板全截面設(shè)置至少1層封閉套箍，且內(nèi)外縱向鋼筋之間可設(shè)置單支拉結(jié)筋。

鑒于地下結(jié)構(gòu)的作用特點(diǎn)及防水性能要求，迎土側(cè)翼緣板的厚度不宜小于250 mm。

3.4 縱向肋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

縱向肋板是閉腔薄壁構(gòu)件的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

1)縱向肋板結(jié)構(gòu)在進(jìn)行構(gòu)件整體計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件縱向空腔長(zhǎng)度及內(nèi)力作用進(jìn)行局部穩(wěn)定性驗(yàn)算。

2)縱向肋板應(yīng)滿足截面抵抗軸力、彎矩和剪力作用要求，縱向肋板的厚度不宜小于200 mm。

3)縱向肋板與翼緣板重疊范圍的縱向鋼筋依據(jù)翼緣板所需受力鋼筋配置，翼緣板以外的側(cè)面縱向鋼筋可按構(gòu)造配置，配筋率不宜小于0.3%。

4)縱向肋板應(yīng)按承載100%的剪力設(shè)計(jì)值進(jìn)行斜截面抗剪承載力設(shè)計(jì)計(jì)算和配置箍筋，并應(yīng)按肋板全截面設(shè)置至少1層封閉套箍，兩側(cè)縱向鋼筋之間可設(shè)置單支拉結(jié)筋。

5)縱向肋板的封閉套箍應(yīng)與翼緣板的封閉箍筋交叉重疊，滿足鋼筋籠整體穩(wěn)定性要求，如圖7所示。

6)中縱肋應(yīng)根據(jù)構(gòu)件橫截面大小、橫向空腔尺度要求及構(gòu)件的受力要求進(jìn)行設(shè)置，可以不設(shè)置或設(shè)置多道。

圖7 空腔截面翼緣、縱肋箍筋及拉結(jié)筋布置示意圖

3.5 橫隔板設(shè)計(jì)

橫隔板應(yīng)根據(jù)構(gòu)件縱向長(zhǎng)度、縱向肋板的受力穩(wěn)定性要求及縱向空腔尺度的構(gòu)造要求設(shè)置，橫隔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

1)橫隔板的厚度不宜低于縱向肋板厚度，并宜按構(gòu)造配置鋼筋。

2)應(yīng)在橫隔板全截面設(shè)置至少1層封閉套箍，兩側(cè)縱向鋼筋之間可設(shè)置單支拉結(jié)筋。

3)橫隔板的封閉套箍應(yīng)與翼緣板、縱肋板的封閉箍筋交叉重疊，滿足鋼筋籠整體穩(wěn)定性要求。

3.6 端頭板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閉腔薄壁構(gòu)件兩端的環(huán)向接頭部位，應(yīng)設(shè)置一定長(zhǎng)度的實(shí)心結(jié)構(gòu)，確?？招牟课幌?qū)嵭牟糠值膽?yīng)力過(guò)渡完成，不干擾接頭的受力，同時(shí)減弱空腔截面的剪力滯效應(yīng)。根據(jù)研究，推薦實(shí)心端頭板長(zhǎng)度與構(gòu)件截面高度之比不宜小于0.45，且長(zhǎng)度不宜小于300 mm。端頭板的配筋應(yīng)與翼緣板和縱向肋板相協(xié)調(diào)，主要受力鋼筋應(yīng)貫通，并滿足構(gòu)件端部的承載力要求，并應(yīng)進(jìn)行斜截面抗剪承載力及配筋設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論與建議

地下結(jié)構(gòu)承受較大的水土荷載作用，構(gòu)件體量大，故輕量化設(shè)計(jì)具有一定的必要性，閉腔薄壁構(gòu)件是地下結(jié)構(gòu)輕量化的較好選擇。閉腔薄壁預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)如下：

1)閉腔薄壁構(gòu)件與帶肋的T形、工形和箱型截面構(gòu)件類(lèi)似，存在典型的剪力滯效應(yīng)，但影響程度相對(duì)較弱，實(shí)際工程應(yīng)用中宜計(jì)入其影響，或可通過(guò)數(shù)值分析和試驗(yàn)研究確定。

2)在剪力作用下，閉腔薄壁構(gòu)件截面剪應(yīng)力出現(xiàn)了與T形和工形截面相同的分布規(guī)律，主要分布于各條縱肋上，全截面剪應(yīng)力100%由縱肋板承擔(dān)。

3)閉腔薄壁構(gòu)件內(nèi)部空腔率和翼緣板、縱向肋板、橫隔板、端頭板等結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能具有一定的影響，設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合工程具體情況，掌握構(gòu)件的力學(xué)行為特性，合理確定閉腔薄壁構(gòu)件的截面型式和構(gòu)造措施，減少剪力滯效應(yīng)影響，滿足設(shè)計(jì)要求。

4)地下結(jié)構(gòu)輕量化研究和應(yīng)用尚有較大的拓展空間，希望行業(yè)內(nèi)廣大專家和專業(yè)技術(shù)人員給予充分關(guān)注。