上下分塊預(yù)制裝配式混凝土箱涵連接構(gòu)造及工程應(yīng)用分析

駱 強(qiáng)， 馮曉楠， 倪 晨， 劉 朵， 張建東,

(1.河南省濮荷高速公路建設(shè)有限公司， 河南 濮陽(yáng) 457000； 2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 南京 211112；3.南京工業(yè)大學(xué)， 南京 211816)

隨著預(yù)制裝配化混凝土箱涵在實(shí)際工程中被大量推廣應(yīng)用[1]，其面臨的大截面、重載交通、軟土地基以及沿海等復(fù)雜環(huán)境下的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題逐漸凸顯出來(lái)[2]。其中，上下分塊預(yù)制裝配式混凝土箱涵可將預(yù)制構(gòu)件輕型化、小型化，降低其吊裝運(yùn)輸要求，可有效解決大截面、重載交通的問(wèn)題[3]。但橫向拼縫是預(yù)制裝配式箱涵結(jié)構(gòu)防水與受力尤為薄弱的環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)的合理性直接影響上下分塊預(yù)制裝配式箱涵結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性[4-7]。目前，預(yù)制裝配式混凝土箱涵的連接構(gòu)造型式多樣[8-10]，適用范圍及條件各異，因此有必要對(duì)其進(jìn)行研究，提出合理的連接構(gòu)造。

本文在預(yù)制裝配式混凝土箱涵的連接構(gòu)造型式及其分類(lèi)的基礎(chǔ)上，介紹了橫向拼縫的工程應(yīng)用現(xiàn)狀，并針對(duì)某依托工程中擬采用的2種橫向拼縫(包括正壓式和凹槽式)，通過(guò)Abaqus有限元軟件模擬分析了實(shí)際工程荷載環(huán)境作用下5種施工工況的力學(xué)性能，分別對(duì)比各工況的拼縫張開(kāi)量、水平位移、整體結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力分布規(guī)律，以期提出具有更優(yōu)力學(xué)性能且適用于工程應(yīng)用的橫向拼縫。

1 連接構(gòu)造類(lèi)型及分類(lèi)

1.1 縱向連接構(gòu)造

目前，預(yù)制裝配式混凝土箱涵縱向連接構(gòu)造一般參考地下綜合管廊，常見(jiàn)的構(gòu)造型式及分類(lèi)方法如下。

1) 按拼縫型式分類(lèi)

根據(jù)綜合管廊接頭型式的分類(lèi)方法[11]，預(yù)制箱涵縱向拼縫分為平口式與承插式。相比承插式，平口式制作簡(jiǎn)單，接頭精度要求低，頂管施工能承受的應(yīng)力大，適用于頂管施工，但是接縫上下通透，防滲效果差；承插式接頭精度要求高，防滲效果好，是規(guī)范[12]推薦的接頭型式。張迎新等[13]將承插式接口分為凹槽式(又稱(chēng)為企口式)、正壓式、臺(tái)階式，凹槽式與正壓式如圖1所示。

(a) 凹槽式

(b) 正壓式

2) 按接頭剛度分類(lèi)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[14]，將預(yù)制裝配式箱涵縱向拼縫分為剛性拼縫和柔性拼縫，其中柔性拼縫又分為柔性鋼承口型、柔性企口1型、柔性企口2型，如圖2所示。

3) 按提供拼縫界面應(yīng)力方式分類(lèi)

按提供拼縫界面應(yīng)力方式可分為螺栓連接拼縫、

(a) 剛性現(xiàn)澆

(b) 柔性鋼承口型

(c) 柔性企口1型

(d) 柔性企口2型

預(yù)應(yīng)力筋連接拼縫和無(wú)連接鋼筋拼縫[11]。

1.2 橫向拼縫構(gòu)造

現(xiàn)有規(guī)范中針對(duì)上下分塊預(yù)制箱涵的橫向拼縫構(gòu)造尚無(wú)明確規(guī)定，目前工程中采用的拼縫型式主要有凹槽式和正壓式，其中正壓式又根據(jù)連接方式分為彎螺栓連接和砂漿(或?yàn)r青麻絮)連接；凹槽式主要采用預(yù)應(yīng)力鋼棒連接。

2 工程概況

河南省某高速公路一期工程，路線全長(zhǎng)33.92 km，其中涵洞共1 439.61 m/32座(不含互通內(nèi)涵洞)、通道共1 427.90 m/43座，是河南省首次應(yīng)用預(yù)制裝配式混凝土箱涵。預(yù)制箱涵截面尺寸規(guī)格主要有4種：4.0 m×3.0 m、4.0 m×3.5 m、6.0 m×3.5 m、6.0 m×4.0 m，其中針對(duì)最大截面6.0 m×4.0 m規(guī)格預(yù)制箱涵，由于其整體預(yù)制重量比較大，不便于現(xiàn)場(chǎng)安裝和吊裝運(yùn)輸，因此采用上下分塊預(yù)制方式，其橫向拼縫主要考慮采用凹槽式和正壓式拼縫型式，如圖3所示，連接型式主要考慮采用有張拉力或無(wú)張拉力彎螺栓。

3 有限元計(jì)算

3.1 建模

為研究該依托工程上下分塊預(yù)制裝配式混凝土箱涵不同橫向拼縫對(duì)其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響分析，采用Aabqus軟件建立單個(gè)預(yù)制箱涵節(jié)段數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)工程需要，該預(yù)制箱涵實(shí)體模型節(jié)段長(zhǎng)度為3.0 m，側(cè)墻兩側(cè)分別以1.0 m為間距布置3根彎螺栓?；炷敛捎?D實(shí)體單元，內(nèi)置鋼筋、彎螺栓采用桁架單元，預(yù)制箱涵底板下部土體對(duì)底板的約束作用采用彈簧單元，并以0.2 m為尺寸控制進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分。模型示意如圖4所示。

(a) 正壓式

(b) 凹槽式

3.2 材料參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料，底板下為風(fēng)化巖石，分化為砂土，基礎(chǔ)下土體地基比例系數(shù)m0參照規(guī)范[15]表P.0.2-1中砂礫土取2×104kN/m3，基底深度小于10 m，基底地基系數(shù)C0=10m0=2×105kN/m3，底板彈簧剛度K=2×104kN/m3。

單位：m

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，采用塑性損傷模型，內(nèi)置鋼筋為HRB400級(jí)鋼筋，彎螺栓采用預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋，各參數(shù)值如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)

3.3 模型工況

針對(duì)工程中采用的2種橫向拼縫型式和4種彎螺栓連接方式，建立5種模型工況進(jìn)行分析，工況信息如表2所示。

表2 模型工況信息

3.4 荷載

根據(jù)施工方案，該預(yù)制箱涵的施工荷載主要包括土壓力荷載和車(chē)輛荷載，依據(jù)相關(guān)規(guī)范[16]計(jì)算其荷載大小，并分別施加于模型中，荷載大小及加載方式如表3及圖5所示。

表3 荷載信息

圖5 荷載加載示意

3.5 邊界條件

底板側(cè)墻邊界線采用鉸接，約束其X、Y、Z方向的線位移；底板全面采用彈簧單元模擬基礎(chǔ)約束，約束其Z方向的線位移。

4 計(jì)算結(jié)果分析

本文針對(duì)5種模型工況進(jìn)行有限元分析，分別提取其各個(gè)預(yù)制箱涵頂?shù)装宓呢Q向變形值、橫向接縫構(gòu)造處的張開(kāi)量及水平相對(duì)位移、混凝土的最大拉應(yīng)力及壓應(yīng)力，結(jié)果如表4所示。

對(duì)比工況2和工況3發(fā)現(xiàn)，彎螺栓的彎曲方向?qū)︻A(yù)制箱涵的受力及變形影響較小，為便于后期的檢修，建議彎曲方向?yàn)閭?cè)墻內(nèi)側(cè)。

對(duì)比工況1和工況2、工況4和工況5發(fā)現(xiàn)，對(duì)于預(yù)制箱涵的整體受力，彎螺栓是否施加張拉力對(duì)其影響較小，考慮后期在橫向拼縫處設(shè)置遇水膨脹橡膠止水條，需有一定的壓應(yīng)力，因此在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)進(jìn)一步分析預(yù)制箱涵上下分塊的自重是否能滿(mǎn)足止水條所需的壓應(yīng)力，否則應(yīng)對(duì)彎螺栓施加張拉力。

表4 5種工況模型分析結(jié)果

對(duì)比工況2和工況4發(fā)現(xiàn)，采用凹槽式拼縫構(gòu)造的上下分塊預(yù)制箱涵在側(cè)向車(chē)輛荷載作用下，拼縫處的張開(kāi)量相對(duì)較小，水平相對(duì)位移較大，同時(shí)預(yù)制箱涵整體混凝土的拉壓應(yīng)力最大值較小。

據(jù)此可知，上下分塊預(yù)制裝配式混凝土箱涵采用凹槽式橫向拼縫具有更好的受力性能。

5 結(jié)論

本文重點(diǎn)闡述了預(yù)制裝配式混凝土箱涵連接構(gòu)造分類(lèi)及其應(yīng)用，針對(duì)某工程中擬采用的2種橫向拼縫型式，建立了5種模型工況，并進(jìn)行了力學(xué)性能分析，主要得出了以下結(jié)論；

1) 經(jīng)研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，針對(duì)正壓式橫向拼縫，彎螺栓的彎曲方向?qū)︻A(yù)制箱涵的力學(xué)性能影響較小，考慮預(yù)制箱涵的檢查和維修，建議彎曲方向宜為側(cè)板內(nèi)側(cè)。

2) 針對(duì)正壓式和凹槽式預(yù)制箱涵，彎螺栓是否施加張拉力對(duì)其整體力學(xué)性能影響較小，但針對(duì)有防水要求的預(yù)制箱涵，應(yīng)專(zhuān)門(mén)計(jì)算分析其彎螺栓是否施加張拉力。

3) 上下分塊預(yù)制裝配式混凝土箱涵采用凹槽式橫向拼縫構(gòu)造具有更好的受力性能。