飽和軟土地區(qū)束合管幕結(jié)構(gòu)受力性能足尺試驗研究

畢湘利， 張中杰， 劉 書， 潘偉強(qiáng)， 焦伯昌， 柳 獻(xiàn), *

(1. 上海申通地鐵集團(tuán)有限公司， 上海 201102； 2. 上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200125； 3. 上海隧道工程有限公司， 上海 200032； 4. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系， 上海 200092)

0 引言

隨著地下工程所需要承載的城市功能越來越多，結(jié)構(gòu)形式逐漸變得復(fù)雜。同時，地下工程與周圍既有建筑物或管線的間距逐漸縮小，其所面臨的施工環(huán)境也變得越來越復(fù)雜。傳統(tǒng)明挖法已不適用于城市中心區(qū)域，而采用對周圍環(huán)境影響更小的暗挖施工方法已成為城市中心地區(qū)地下工程施工的必然趨勢[1]。一般來說，傳統(tǒng)地下工程暗挖工法主要包含淺埋暗挖法、頂管法、盾構(gòu)法、管幕法等施工工法。

管幕法也叫排管頂進(jìn)法，是采用小口徑頂管機(jī)建造大斷面地下空間的施工技術(shù)，利用微型頂管技術(shù)在擬建的地下建筑物四周頂入鋼管或其他材質(zhì)的管子，管子之間采用鎖扣連接并注入防水材料，形成水密性地下空間[2]。由于管幕具有隔離地下水的作用，故施工時無需降低地下水位，具有一定的便捷性[3]。

基于管幕法的結(jié)構(gòu)特點，對于管幕工法的研究主要集中在2方面： 1)針對管幕法施工過程中的地層變形以及開挖面穩(wěn)定性[4-5]； 2)針對管幕構(gòu)件本身的抗彎抗剪受力性能以及鎖扣的性能[6-7]。尤其是針對傳統(tǒng)管幕工法的更新優(yōu)化，研究主要集中在新型管幕結(jié)構(gòu)本身的受力性能。在管幕法發(fā)展的過程中，主要有2種發(fā)展方向： 一種是仍然將管幕當(dāng)作臨時維護(hù)結(jié)構(gòu)，但利用其施工便捷性與其他工法進(jìn)行結(jié)合，如管幕-箱涵法[8]，從而實現(xiàn)復(fù)雜工程條件下的地下結(jié)構(gòu)建造；而另外一種則是對管幕工法本身做深入探究，優(yōu)化管幕結(jié)構(gòu)的薄弱部位，提高管幕的承載能力與適用性，并發(fā)展出了以環(huán)梁為連接方式的NTR工法[9]、以翼緣板螺栓連接為連接方式的STS工法[10]、以無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力為“連接手段”的日本URT工法與PCR工法[11]，以及開發(fā)新型JES接頭的JES工法[12]等。

NTR、STS等新型管幕工法主要通過強(qiáng)化鋼管間連接、采用翼緣板與螺栓或環(huán)梁連接等方式將鋼管節(jié)連接形成整體，進(jìn)而提供管幕橫向結(jié)構(gòu)剛度及承載能力。日本URT工法及PCR工法的根本原理則是通過施加橫向無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力來約束管節(jié)，進(jìn)而提高整體結(jié)構(gòu)的受力性能； 國內(nèi)基于該原理提出了新型的束合管幕工法(undergroud bundled integrate tunnel，U-BIT)，其基本思路為采用矩形管幕作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，管幕通過鎖扣以及填充混凝土進(jìn)行連接，并通過張拉橫向預(yù)應(yīng)力，使各個鋼管之間協(xié)同受力，形成受力整體，進(jìn)而提高整體結(jié)構(gòu)的受力性能。與日本URT工法相比，U-BIT工法優(yōu)化了施工工藝及預(yù)應(yīng)力筋的布置形式，并將角部頂管尺寸放大作為工作管，而無需專用工作管，節(jié)約了材料及工期。相比于同一條軌道線的桂橋路站“管幕+MJS”復(fù)合暗挖工法[13]，U-BIT無需冰凍、支撐和大范圍的土體加固，管幕預(yù)應(yīng)力施加完成后可直接組織施工，特定條件下的成本和工期優(yōu)勢明顯，并且對施工場地面積要求較低，具備良好的環(huán)境和交通友好性。

然而，束合管幕結(jié)構(gòu)施工工藝以及結(jié)構(gòu)性能的研究還處于初期階段，在國內(nèi)尚無可供直接借鑒的工程案例，也缺乏相應(yīng)的試驗研究或理論研究。因此，為保障束合管幕結(jié)構(gòu)的施工安全，探究該結(jié)構(gòu)的性能以及拓展該結(jié)構(gòu)的適用性，有必要對束合管幕結(jié)構(gòu)的受力機(jī)制進(jìn)行研究。

1 工法介紹

束合管幕結(jié)構(gòu)如圖1所示。該工法核心思想是采用矩形鋼管，通過沿環(huán)向施加預(yù)應(yīng)力，使各個鋼管之間協(xié)同受力、雙向承載，以達(dá)到減小構(gòu)件尺寸、提高管幕結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力的效果。

圖1 束合管幕結(jié)構(gòu)

束合管幕工法施工順序如下：

1)施作始發(fā)井與接收井。

2)管節(jié)頂進(jìn)。在始發(fā)井內(nèi)，分別利用小型頂管機(jī)將預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)管和工作管頂至設(shè)計位置，頂進(jìn)時根據(jù)管節(jié)預(yù)制的CT型鎖扣進(jìn)行定位。頂進(jìn)后，在管節(jié)鎖扣之間充填油脂或其他防水材料，防止在后續(xù)施工過程中地下水滲漏?？v向上，推進(jìn)單節(jié)管節(jié)時在管節(jié)間采用現(xiàn)場焊接方式連接。

3)穿波紋管與預(yù)應(yīng)力鋼絞線。為便于施加預(yù)應(yīng)力，標(biāo)準(zhǔn)管與工作管在頂進(jìn)前已根據(jù)設(shè)計要求設(shè)置鋼絞線貫穿孔。根據(jù)預(yù)先開孔位置，穿波紋管，并依次穿入預(yù)應(yīng)力鋼絞線，裝好錨具，做好張拉前準(zhǔn)備。

4)澆筑標(biāo)準(zhǔn)管及管節(jié)間混凝土。穿束完成后，澆筑標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)內(nèi)部及結(jié)合縫的混凝土，此時還有4個角部的鋼管節(jié)未進(jìn)行混凝土澆筑。

5)張拉預(yù)應(yīng)力筋鋼絞線并錨固。養(yǎng)護(hù)一段時間，當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后，張拉鋼絞線，并在4個角部工作管內(nèi)錨固住。張拉時盡量保持對稱張拉，避免由于單側(cè)張拉而導(dǎo)致的偏載。

6)澆筑工作管混凝土。待預(yù)應(yīng)力筋張拉錨固完成后，澆筑4個角部工作管的混凝土，養(yǎng)護(hù)至混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度。

7)開挖內(nèi)部土體。待束合結(jié)構(gòu)形成后，已經(jīng)可以作為外圍的支護(hù)結(jié)構(gòu)，此時進(jìn)行內(nèi)部土體的開挖。束合結(jié)構(gòu)同時兼作永久結(jié)構(gòu)，開挖完內(nèi)部土體后，逐步施作內(nèi)部永久結(jié)構(gòu)。

結(jié)合束合結(jié)構(gòu)的工法核心思想與施工流程可以看到，相較于傳統(tǒng)的管幕工法，通過對管節(jié)施加預(yù)應(yīng)力，可以有效提高束合結(jié)構(gòu)的剛度，顯著改善受力性能，可以有效降低撓度變形，進(jìn)而降低對地面沉降變形的影響。一方面，束合結(jié)構(gòu)既可同時作為施工階段的臨時支撐，減少開挖階段設(shè)置支撐，也可作為永久結(jié)構(gòu)，減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸，進(jìn)而降低整個工程的費用；另一方面，束合結(jié)構(gòu)本身的預(yù)應(yīng)力筋位置、設(shè)計預(yù)應(yīng)力張拉大小可以根據(jù)實際工程需要而做出調(diào)整，具有較高的靈活性，可更加廣泛地適用于地下工程，在大城市的地下結(jié)構(gòu)施工中有著良好的應(yīng)用前景。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗試件

本次足尺試驗取用原結(jié)構(gòu)的1/4用以試驗研究，其正視圖如圖2所示。外沿尺寸為寬4.2 m，高3.1 m，縱向長1.5 m，呈“倒L”形。試驗管節(jié)分為角部工作管、標(biāo)準(zhǔn)管和半標(biāo)準(zhǔn)管3類。角部工作管外沿尺寸為1.4 m×1.4 m，標(biāo)準(zhǔn)管外沿尺寸為1 m×1 m，半標(biāo)準(zhǔn)管外沿尺寸為0.5 m×1 m，各結(jié)合縫寬度為0.1 m。

圖2 1/4結(jié)構(gòu)正視圖(單位: mm)

在試件制作過程中按照預(yù)應(yīng)力布線方式在管節(jié)內(nèi)部安裝波紋管及預(yù)應(yīng)力筋，待工作管內(nèi)混凝土澆筑并達(dá)到張拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋張拉。張拉完成后錨固在角部工作管處，待工作管混凝土澆筑后與之形成整體。1/4結(jié)構(gòu)俯視圖如圖3所示。上部預(yù)應(yīng)力筋沿縱向間距500 mm布置，共3束，每束包含3根預(yù)應(yīng)力筋，側(cè)部布置形式相同。預(yù)應(yīng)力筋采用1×7標(biāo)準(zhǔn)型鋼絞線，公稱截面面積為140 mm2。按照設(shè)計要求，預(yù)應(yīng)力筋需張拉至極限應(yīng)力的75%，即1 395 MPa，單根預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計張拉力為146.475 kN，單束預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計張拉力為439.425 kN。

圖3 1/4結(jié)構(gòu)俯視圖(單位: mm)

2.2 加載系統(tǒng)及荷載設(shè)計

2.2.1 加載裝置

加載系統(tǒng)如圖4所示，主要由反力框架、千斤頂、加載梁、自平衡錨桿、地錨所組成。該系統(tǒng)有4個豎向加載點(P1—P3，其中P2控制2個加載點)和3個水平向加載點(P4—P6)，每個加載點由2個千斤頂與1個加載梁組成，加載時可實現(xiàn)單點加載。

圖4 加載系統(tǒng)

與整環(huán)結(jié)構(gòu)不同，本次結(jié)構(gòu)試驗取整環(huán)的1/4結(jié)構(gòu)作為試驗對象，因此需要考慮該1/4結(jié)構(gòu)的約束形式，以期能夠與整環(huán)結(jié)構(gòu)受力等效?？紤]到束合結(jié)構(gòu)在地下時受到周邊的水土壓力，荷載形式左右對稱，因此在右側(cè)水平端部應(yīng)為滑動支座形式。通過對束合結(jié)構(gòu)彈性受力進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)左右側(cè)跨中的剪力不超過10 kN，可以認(rèn)為左右側(cè)跨中位置靠近反彎點； 同時，結(jié)合實際加載裝置的適用性，同樣設(shè)置左側(cè)下端部約束為滑動支座形式。

滑動支座采用“螺栓+滾珠+鋼板+鋼梁”的形式進(jìn)行設(shè)計。鋼滾珠嵌套在鋼板內(nèi)，并利用鋼梁將鋼滾珠所在鋼板與加載架連接在一起，限制鋼滾珠端部的位移，此時與鋼滾珠接觸的試驗構(gòu)件就只能沿著滾珠方向進(jìn)行平動。同時，在鋼滾珠旁側(cè)設(shè)置螺栓，且螺栓開孔為腰型開孔，螺栓一端連接鋼滾珠所在鋼板，另一端連接構(gòu)件，用以承受拉力，與鋼滾珠承受壓力相結(jié)合，使得約束處能夠承受彎矩，進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)受力接近實際情況。

2.2.2 荷載設(shè)計

試驗荷載設(shè)計以模擬正常運(yùn)營階段無注漿無偏載狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的實際受荷為基準(zhǔn)，保證1/4結(jié)構(gòu)所受外荷載與實際基本一致。

設(shè)計計算荷載轉(zhuǎn)化為試驗荷載時，遵循以下3個原則：

1)按照荷載相等的原則，試驗荷載取值為設(shè)計荷載的等效值，即豎向千斤頂?shù)氖芰偤团c實際1/4結(jié)構(gòu)豎向水土荷載的總和相同。

2)保證試驗荷載下襯砌結(jié)構(gòu)控制截面處的內(nèi)力，與設(shè)計荷載作用下的內(nèi)力誤差在一定范圍內(nèi)。

3)試驗荷載作用下，束合管幕結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)需要滿足受力平衡，以確保試驗加載過程中束合管幕結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

根據(jù)上述原則，得到與設(shè)計荷載相對應(yīng)的試驗荷載，即千斤頂頂力=一定范圍內(nèi)水土荷載總和。

本次1/4足尺結(jié)構(gòu)力學(xué)性能試驗主要對1/4結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行試驗研究，利用上述加載系統(tǒng)進(jìn)行加載。試驗中，通過水平頂部的4個千斤頂模擬結(jié)構(gòu)所受豎向水土荷載，通過側(cè)部的3個千斤頂模擬結(jié)構(gòu)所受水平向水土荷載，通過水平端部和底部的滑動支座模擬結(jié)構(gòu)的端部約束條件。結(jié)合加載條件與實際試驗?zāi)康?，將整個加載工況分為預(yù)加載工況、設(shè)計工況和超載工況。加載參數(shù)如表1所示。

表1 加載參數(shù)表

2.3 試驗布設(shè)

實際試驗結(jié)構(gòu)如圖5所示，其布設(shè)過程如下：

1)依據(jù)設(shè)計圖紙，進(jìn)行側(cè)部及底部滑動支座的定位及安裝；

2)安裝臨時支撐結(jié)構(gòu)，依次進(jìn)行各個試驗管節(jié)的定位及拼裝；

3)管節(jié)內(nèi)穿波紋管與預(yù)應(yīng)力鋼絞線；

4)澆筑標(biāo)準(zhǔn)管及結(jié)合縫內(nèi)的混凝土；

5)張拉預(yù)應(yīng)力筋鋼絞線并錨固；

6)澆筑工作管的混凝土；

7)進(jìn)行千斤頂及加載梁的定位及安裝。

圖5 結(jié)構(gòu)受力性能試驗

2.4 研究指標(biāo)

本次預(yù)應(yīng)力復(fù)合管幕工法結(jié)合縫剪切力學(xué)性能試驗的研究指標(biāo)如下：

1)結(jié)構(gòu)形狀變化；

2)束合結(jié)構(gòu)結(jié)合縫張開、錯動；

3)預(yù)應(yīng)力施加效果；

4)結(jié)構(gòu)表觀現(xiàn)象及過程記錄。

3 主要試驗結(jié)果

3.1 預(yù)加載工況與設(shè)計工況

在預(yù)加載工況與設(shè)計工況階段，結(jié)合縫沒有出現(xiàn)任何明顯脫開，結(jié)合縫張開量和錯臺量均在0.2 mm以內(nèi)波動，結(jié)構(gòu)端部撓度在0.8 mm以內(nèi)波動。

3.2 超載工況

3.2.1 結(jié)構(gòu)變形

超載工況結(jié)構(gòu)位移與荷載差值關(guān)系曲線如圖6所示。在整個超載階段，側(cè)壓力系數(shù)不變的情況下，逐步增大埋深，豎向壓力p3與側(cè)向壓力p6的差值逐漸增大。定義Δp=p3-p6(單位： kN)，可以看到，當(dāng)Δp小于13.08 kN時，結(jié)構(gòu)下部的水平位移基本保持在0.4 mm左右，變化量在0.1 mm以內(nèi)。結(jié)構(gòu)端部撓度則隨著荷載差值的增大而增大，達(dá)到了0.9 mm。

圖6 超載工況結(jié)構(gòu)位移與荷載差值關(guān)系曲線圖

隨著荷載差值的繼續(xù)增大，結(jié)構(gòu)底部逐步往左位移，端部逐漸向下位移。增至12 m埋深時，對應(yīng)荷載差值Δp為32.57 kN，底部水平位移降至-0.66 mm，而端部撓度增至2.47 mm。此時2號結(jié)合縫內(nèi)側(cè)出現(xiàn)脫開，結(jié)構(gòu)剛度降低，結(jié)構(gòu)底部繼續(xù)向左，頂部繼續(xù)向下，水平位移降至-1.6 mm，豎向撓度增至3.98 mm。

3.2.2 結(jié)合縫外側(cè)張開

超載工況結(jié)合縫外側(cè)張開量與荷載差值關(guān)系曲線如圖7所示。當(dāng)Δp小于40.66 kN時，1號結(jié)合縫和4號結(jié)合縫外側(cè)張開量很小，絕對值小于0.05 mm，變化值在0.05 mm以內(nèi)。當(dāng)Δp超過40.66 kN時，1號結(jié)合縫外側(cè)張開量增大，最高達(dá)到0.28 mm；而4號結(jié)合縫外側(cè)張開量仍然保持在0.05 mm以內(nèi)。

圖7 超載工況結(jié)合縫外側(cè)張開量與荷載差值關(guān)系曲線圖

當(dāng)Δp小于-4.41 kN時，2號結(jié)合縫外側(cè)閉合量(張開量為負(fù)值時)在0.02 mm以內(nèi)波動。隨著荷載差值的增大，2號結(jié)合縫外側(cè)閉合量也在逐漸增大，當(dāng)Δp達(dá)到32.31 kN時，閉合量達(dá)到0.185 mm。當(dāng)Δp超過32.31 kN后，閉合量陡增且迅速達(dá)到0.45 mm，而后隨著Δp的增大而增大。當(dāng)Δp達(dá)到48.28 kN時，2號結(jié)合縫外側(cè)閉合量達(dá)到0.575 mm。

3.2.3 結(jié)合縫內(nèi)側(cè)張開

超載工況結(jié)合縫內(nèi)側(cè)張開量與荷載差值關(guān)系曲線如圖8所示。當(dāng)Δp小于14.11 kN，1號、4號、5號結(jié)合縫內(nèi)側(cè)張開量很小，絕對值分別在0.07、0.03、0.01 mm附近波動，變化值在0.05 mm以內(nèi)。當(dāng)Δp超過14.11 kN時，1號、4號、5號結(jié)合縫內(nèi)側(cè)逐漸閉合，閉合量逐漸增大； 當(dāng)Δp達(dá)到48.28 kN時，3個結(jié)合縫的內(nèi)側(cè)閉合量分別達(dá)到0.145、0.17、0.05 mm。

圖8 超載工況結(jié)合縫內(nèi)側(cè)張開量與荷載差值關(guān)系曲線圖

隨著Δp增大，3號結(jié)合縫內(nèi)側(cè)張開量也逐漸增大。當(dāng)Δp達(dá)到34.61 kN，張開量達(dá)到0.19 mm。而當(dāng)Δp繼續(xù)增大，達(dá)到48.28 kN時，3號結(jié)合縫內(nèi)側(cè)張開量略有減小，降至0.18 mm。

當(dāng)Δp小于0.76 kN時，2號結(jié)合縫內(nèi)側(cè)張開量在0.02 mm以內(nèi)波動，變化值小于0.01 mm。隨著Δp的增大，2號結(jié)合縫內(nèi)側(cè)閉合量也在逐漸增大，當(dāng)Δp達(dá)到14.11 kN時，張開量達(dá)到0.095 mm。隨著Δp的繼續(xù)增大，2號結(jié)合縫外側(cè)張開量增大得更快，當(dāng)Δp達(dá)到48.28 kN時，張開量達(dá)到0.48 mm。

3.2.4 預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變

超載工況預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變與荷載差值關(guān)系曲線如圖9所示。隨著Δp的增大，中束2、中束5應(yīng)變量逐步降低，中束4應(yīng)變量逐步增加，當(dāng)Δp達(dá)到48.28 kN時，分別增加了-69με、17με、-25με。當(dāng)Δp達(dá)到14.11 kN，中束4應(yīng)變量突降了109με。去除該突變，中束4應(yīng)變量增加了-44με。

4 主要結(jié)果分析

4.1 結(jié)構(gòu)剛度

如圖6所示，在整個加載全過程中，結(jié)構(gòu)撓度與底部水平位移發(fā)展可以分為2個階段。

1)初期加載階段。當(dāng)Δp小于13.08 kN，隨著Δp增大，結(jié)構(gòu)頂部撓度向下發(fā)展，隨之增加至0.91 mm。而結(jié)構(gòu)底部水平向右位移了0.35 mm，此時結(jié)構(gòu)端部撓度對應(yīng)剛度為33 585 kN/m。

2)結(jié)合縫脫開階段。隨著荷載差值的繼續(xù)增加，2號結(jié)合縫出現(xiàn)脫開，結(jié)構(gòu)整體剛度降低，頂部撓度與底部水平位移增幅變大。當(dāng)荷載差值Δp達(dá)到48.28 kN時，頂部撓度與底部水平位移分別增至3.98、1.595 mm，此時結(jié)構(gòu)端部撓度對應(yīng)剛度為13 185 kN/m。

圖9 超載工況預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變與荷載差值關(guān)系曲線圖

在1/4結(jié)構(gòu)試驗過程中，出現(xiàn)混凝土與鋼管節(jié)脫開后，隨著脫開高度的繼續(xù)發(fā)展，結(jié)合縫迅速張開，結(jié)構(gòu)對應(yīng)剛度會降低60%。

4.2 預(yù)應(yīng)力作用

受力全過程預(yù)應(yīng)力應(yīng)變增量與結(jié)構(gòu)撓度關(guān)系曲線如圖10所示。在超載工況時，預(yù)應(yīng)力應(yīng)變增量與結(jié)構(gòu)豎向撓度之間幾乎呈線性比例關(guān)系。當(dāng)撓度增大到4.14 mm后，預(yù)應(yīng)力應(yīng)變增量達(dá)到31.6με，預(yù)應(yīng)力鋼絞線彈性模量為195 000 MPa，即應(yīng)力增大了6.2 MPa。

圖10 受力全過程預(yù)應(yīng)力應(yīng)變增量與結(jié)構(gòu)撓度關(guān)系曲線圖

4.3 理論計算驗證

在超載工況試驗階段，當(dāng)結(jié)合縫沒有明顯張開時，可以認(rèn)為預(yù)應(yīng)力筋并無明顯伸長，此時預(yù)應(yīng)力筋僅作為外荷載考慮。根據(jù)錨固端實測數(shù)據(jù)，此時錨固端實際張拉力為946 kN。結(jié)構(gòu)出現(xiàn)混凝土與鋼板脫開的情況發(fā)生在2號結(jié)合縫，加載時對應(yīng)7 m埋深時荷載?？紤]預(yù)應(yīng)力及外荷載共同作用，在臨界脫開時結(jié)合縫受到彎矩484.32 kN·m、軸力1 281.03 kN、剪力422.33 kN。

盡管錨固端位置并非在截面高度中心，而是有一定偏心，但2號結(jié)合縫距離張拉錨固端較遠(yuǎn)，因此不考慮局部受壓狀態(tài)。計算結(jié)合縫脫開時，結(jié)合縫受拉位置的應(yīng)力狀態(tài)為：

(1)

(2)

代入相應(yīng)參數(shù)計算可得：

σ=2.045 MPa ；

τ=0.357 MPa 。

通過一點應(yīng)力狀態(tài)計算，此時結(jié)合縫受拉脫開部位一點最大應(yīng)力

(3)

計算結(jié)果為σ1=2.106 MPa。

參照型鋼與混凝土黏結(jié)性能試驗研究中推導(dǎo)出的計算公式，型鋼板與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度

(4)

式中：τp為最大黏結(jié)強(qiáng)度；c為保護(hù)層厚度；h為型鋼板厚度；n為箍筋數(shù)量；Asv為箍筋截面面積；B為試件寬度；S為箍筋間距；ft為混凝土抗拉強(qiáng)度。

實際結(jié)構(gòu)中，可以將結(jié)合縫的混凝土與鋼板看作型鋼與混凝土黏結(jié)情況，因此取保護(hù)層厚度100 mm，型鋼厚度25 mm，且混凝土內(nèi)無任何橫向箍筋，Asv為0。此次試驗混凝土強(qiáng)度等級為C45，根據(jù)規(guī)范取抗拉強(qiáng)度為2.51 MPa，代入式(4)計算得出τp=1.913 MPa。根據(jù)一點應(yīng)力狀態(tài)計算公式，求得一點最大應(yīng)力也為1.913 MPa。試驗計算結(jié)果與理論黏結(jié)強(qiáng)度基本一致，相差約為10%。

5 結(jié)論與討論

1)在整個試驗中，結(jié)構(gòu)變形發(fā)展可以分為彈性受力階段與非線性階段2個階段。其中，結(jié)合縫脫開是關(guān)鍵性能點。

2)在預(yù)加載工況與設(shè)計工況下，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，結(jié)構(gòu)位移不超過1 mm ，且無結(jié)合縫脫開、錯動，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3)在超載工況下，當(dāng)加載至2倍設(shè)計埋深對應(yīng)荷載時，結(jié)合縫內(nèi)部出現(xiàn)脫開，脫開應(yīng)力為2.106 MPa。隨荷載增大，脫開高度、張開量及預(yù)應(yīng)力筋受力均逐漸增大，截面剛度由33 585 kN/m下降至13 185 kN/m，降低60%；當(dāng)加載到3.25倍的設(shè)計埋深對應(yīng)荷載時，出現(xiàn)表觀脫開現(xiàn)象； 當(dāng)達(dá)到4倍設(shè)計埋深對應(yīng)荷載，結(jié)構(gòu)未破壞，仍具備承載能力，此時端部豎向撓度為4 mm。

本文通過開展束合管幕1/4結(jié)構(gòu)的足尺試驗研究，初步探究了束合管幕結(jié)構(gòu)在設(shè)計工況、超載工況下的變形響應(yīng)，確定了各工況下的結(jié)構(gòu)剛度及薄弱位置，后續(xù)還需進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值模擬和足尺結(jié)構(gòu)試驗，深入研究結(jié)構(gòu)薄弱點——結(jié)合縫的壓彎性能及受剪性能，在以結(jié)構(gòu)變形與結(jié)合縫張開作為控制指標(biāo)的同時，分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律，并開展無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋對結(jié)構(gòu)受力性能的影響研究，以期確定該結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。