全輕頁巖陶粒混凝土裝配式管廊抗震性能振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

楊艷敏，徐 冉，李永慶，李子根

（1.吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林長春 130118；2.長春市水利規(guī)劃研究院，吉林長春 130000）

引言

管廊作為“十三五”規(guī)劃的城市地下基礎(chǔ)設(shè)施之一，其內(nèi)部存在大量“生命線”工程，一旦發(fā)生地震導(dǎo)致破壞將帶來不可估量的損失，因此國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其抗震性能展開研究。郭恩棟等［1］通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬的方法分析了管廊在地震作用下位移變形和應(yīng)力分布規(guī)律。梁建文等［2-3］利用ABAQUS 有限元軟件，分析了雙艙管廊在地震作用下的內(nèi)力和變形，從而得出管廊在地震作用下的薄弱位置。Tsinidis 等［4-5］通過小型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值分析，研究了干砂層中箱型隧道的地震響應(yīng)以及影響隧道地震響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)。Patil等［6］通過建立數(shù)值模型進(jìn)行有限元分析，研究了軟土淺埋隧道在地震作用下的受力性能。相較于整澆式管廊，裝配式管廊具有施工簡便、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，符合我國建筑節(jié)能與可持續(xù)發(fā)展的要求，目前已有部分學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究。田子玄等［7］提出將預(yù)制疊合板拼裝連接形成一種裝配式管廊，并采用穿心鋼絞線雙向加載的試驗(yàn)方法，研究了管廊在單調(diào)靜載作用下的受力性能。魏奇科等［8-9］通過低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，分析了不同體積配箍率和縱筋錨固長度對(duì)裝配疊合式管廊節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，并根據(jù)研究結(jié)果給出了設(shè)計(jì)建議。Duan等［10］以實(shí)際工程為原型，設(shè)計(jì)小型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，通過分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)、土壓力分布和損傷現(xiàn)象等研究了裝配式管廊的抗震性能。

查閱相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，目前管廊建造所用大多為普通混凝土材料，輕骨料混凝土作為一種輕質(zhì)高強(qiáng)、耐火抗震的新型建筑材料［11-12］，將其應(yīng)用于地下管廊的研究尚不多見。結(jié)合目前部分學(xué)者對(duì)管廊抗震性能的研究僅通過理論分析或數(shù)值模擬，缺乏大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究的現(xiàn)狀，文中設(shè)計(jì)一種全輕頁巖陶?；炷裂b配式管廊結(jié)構(gòu)，通過大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，將其在不同PGA（峰值地震加速度）激勵(lì)下的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)與普通混凝土管廊進(jìn)行對(duì)比分析，得到其地震反應(yīng)規(guī)律，為全輕頁巖陶?；炷裂b配式管廊的推廣應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

輕粗骨料、輕細(xì)骨料以及水泥等材料的性能均為影響全輕混凝土性能和強(qiáng)度的因素［13］。試驗(yàn)中全輕頁巖陶?；炷了盟酁镻·O42.5普通硅酸鹽水泥；輕粗骨料采用碎石型頁巖陶粒，輕細(xì)骨料采用圓球型頁巖陶砂，根據(jù)GB/T17431.1-2010《輕集料及其試驗(yàn)方法》測得陶粒、陶砂的主要性能指標(biāo)如表1 所示。為改善全輕混凝土基本力學(xué)性能，減少分層離析現(xiàn)象，還需在混凝土中加入粉煤灰和減水劑。依據(jù)JGJT 12-2019《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，參考相關(guān)研究［14-15］，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后的LC40全輕頁巖陶粒混凝土配合比見表2。

表1 輕骨料的主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indexes of lightweight aggregate

表2 LC40級(jí)全輕混凝土配合比Table 2 Mixture proportion of LC40 grade full light-weight concrete

1.2 全輕頁巖陶?；炷列阅茉囼?yàn)

依據(jù)GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測得全輕頁巖陶粒混凝土基本力學(xué)性能見表3，試驗(yàn)及破壞現(xiàn)象見圖1。

表3 LC40級(jí)全輕混凝土基本力學(xué)性能Table 3 Mechanical performance of LC40 grade full light-weight concrete

立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)見圖1（a），試塊受壓后，內(nèi)部應(yīng)力增大，由于試塊中頁巖陶粒的強(qiáng)度低于砂漿強(qiáng)度，且內(nèi)部存在大量孔隙，導(dǎo)致受壓時(shí)混凝土中頁巖陶粒首先被壓碎。隨著荷載的增大，裂縫由骨料向漿體延伸并逐漸擴(kuò)大，到達(dá)極限荷載時(shí)，試塊表面有混凝土塊脫落，大量的貫穿裂縫導(dǎo)致試塊破壞如圖1（b）。

劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)見圖1（c），隨著荷載增大，沿荷載軸線方向出現(xiàn)的微裂縫不斷擴(kuò)展并形成一條主裂紋導(dǎo)致試件破壞，其破壞形態(tài)如圖1（d），破壞界面相對(duì)平整，這是由于全輕混凝土中陶粒的強(qiáng)度相對(duì)較低，在線荷載作用下易被劈裂成兩部分。

軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)見圖1（e），棱柱體試塊的破壞現(xiàn)象與立方體試塊的破壞現(xiàn)象相似，均呈現(xiàn)出較為明顯的脆性破壞特征，其破壞形態(tài)如圖1（f）。

圖1 試塊破壞現(xiàn)象Fig.1 Destruction phenomenon of test block

1.3 試件設(shè)計(jì)及制作

由于材料特性和試驗(yàn)條件無法全部滿足相似理論，因此在試驗(yàn)研究中往往采取滿足主要相似關(guān)系的方法來進(jìn)行模型的相似設(shè)計(jì)。參考試驗(yàn)室現(xiàn)有條件及其它振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)［16-17］，確定模型幾何相似比為1/6，加速度相似比為3，模型與原管廊材料相同，故彈性模量相似比為1。應(yīng)用Buckingham 定理可得出模型體系各物理量的相似關(guān)系及其相似比，如表4所示。

表4 模型的相似常數(shù)Table 4 The similarity constant of the model

設(shè)計(jì)普通混凝土管廊（OCUT）和全輕輕頁巖陶混凝土管廊（LCUT）2 種試件，尺寸為500 mm×500 mm×1 200 mm，鋼筋均采用直徑6 mm的HPB300級(jí)鋼，按等強(qiáng)度原則配筋，試件尺寸及配筋如圖2所示。

圖2 管廊尺寸及配筋Fig.2 Dimensions and reinforcement of utility tunnels

管廊模型的制作過程：首先綁扎鋼筋，支模，澆筑混凝土形成四塊預(yù)制板，然后將其箍筋交錯(cuò)搭接并在搭接處插入豎向鋼筋，如圖3（a），最后支護(hù)模板進(jìn)行二次澆筑，形成管廊模型如圖3（b）。

圖3 裝配式管廊的建造Fig.3 Construction of prefabricated utility tunnels

1.4 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)裝置如圖4所示，加載裝置采用英國SERVOTEST公司生產(chǎn)的地震模擬振動(dòng)臺(tái)，其臺(tái)面尺寸：3 m×3 m；工作頻率：0.1～50 Hz；最大載荷：10 t；最大水平位移：±125 mm；最大滿載加速度：1.5 g/m3。

圖4 試驗(yàn)裝置Fig.4 Test device

樓夢麟等［18］研究發(fā)現(xiàn)，模型箱平面尺寸為模型尺寸5 倍以上時(shí)，可忽略側(cè)向邊界對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的影響，綜合考慮試驗(yàn)室現(xiàn)有條件設(shè)計(jì)模型箱尺寸為平行于振動(dòng)方向長2.6 m，垂直于振動(dòng)方向長1.8 m，高1.2 m，其四周以等邊角鋼焊接，并設(shè)置斜向支撐，防止其發(fā)生扭曲變形。試驗(yàn)土體采用原型土體即長春市常見黏土，通過加水?dāng)嚢杩刂破浜蕿?3%～16%之間，通過夯錘夯實(shí)的方法控制其密度在1 900 kg/m3～2 000 kg/m3之間。實(shí)際工程中管廊被埋置于無邊界的土體中，而在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中只能用有限尺寸的容器采來裝模型土，故在模型箱運(yùn)動(dòng)方向兩側(cè)鋪設(shè)100 mm 厚聚苯乙烯泡沫板，減弱箱體對(duì)地震波的反射作用，并在鋼板底部鋪設(shè)少量碎石，減少土體與模型箱發(fā)生滑移，使管廊結(jié)構(gòu)的受力更接近于真實(shí)地震反應(yīng)下的狀態(tài)。

1.5 加載方案

選取EL Centro 波作為輸入波，其加速度時(shí)程及傅里葉頻譜如圖5 所示。垂直于管廊軸線方向進(jìn)行振動(dòng)，施加每級(jí)荷載前進(jìn)行白噪聲預(yù)振，使土體密實(shí)并分析管廊動(dòng)力特性及損傷情況，加載制度如表5所示。

表5 加載制度Table 5 Loading system

圖5 EL Centro波Fig.5 EL Centro wave

1.6 觀測方案

測點(diǎn)布置如圖6所示，分別在管廊頂板（0.25 m）、側(cè)墻板（0.45 m）及底板（0.65 m）布置加速度測點(diǎn)A-1、A-2、A-3，在管廊一側(cè)土體的同一深度處布置加速度測點(diǎn)A-4、A-5、A-6，位移計(jì)D-1頂部布置在管廊頂板腋角處，底部與管廊底板固定在一起，確保所得數(shù)據(jù)為頂板、底板的相對(duì)位移。

圖6 觀測方案Fig.6 Monitoring scheme

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 邊界條件的驗(yàn)證

LCUT 在EL2 和EL4 工況下其一側(cè)土體測點(diǎn)A-4、A-5、A-6 加速度時(shí)程曲線發(fā)展趨勢一致，峰值略有差別。各測點(diǎn)加速度峰值對(duì)比如表6所示，同一深度土體的加速度峰值及出現(xiàn)時(shí)刻相差較小，且隨PGA 增大，邊界效應(yīng)逐漸減弱，這是由于激振強(qiáng)度增加，土體非線性發(fā)展，導(dǎo)致加速度響應(yīng)的增長幅度減小。綜合考慮認(rèn)為試驗(yàn)裝置能較好的模擬管廊在地震作用下的真實(shí)受力情況。

表6 各土體測點(diǎn)加速度峰值及出現(xiàn)時(shí)刻Table 6 Peak acceleration and appearance time of each soil measuring point

2.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

2 種管廊在各級(jí)加載下的自振頻率和阻尼比見圖7，隨著PGA 的增大，2 種管廊自振頻率均逐漸減小而阻尼比逐漸增大。圖7（a）所示，LCUT自振頻率小于OCUT，EL4工況OCUT的自振頻率為LCGL的1.37倍，全輕頁巖陶?；炷量捎行p輕結(jié)構(gòu)自重，故其自振頻率較小。圖7（b）所示，LCUT 阻尼比大于OCUT，EL2工況LCUT 的阻尼比為OCUT 的1.4倍，由于全輕頁巖陶?；炷林休p粗骨料內(nèi)部比普通粗骨料具有更豐富的孔隙和縫隙，故其阻尼比更大，從而可消耗更多地震能量，減弱地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用。

圖7 動(dòng)力特性對(duì)比Fig.7 Comparison of dynamic characteristics

2.3 結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)

圖8為EL4工況管廊結(jié)構(gòu)頂板（A1）、側(cè)墻板（A2）及底板（A3）3個(gè)測點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線。同工況、同埋深狀態(tài)下，2種管廊結(jié)構(gòu)加速度時(shí)程曲線波形相似，但峰值不同，且存在時(shí)程差。

圖8 加速度時(shí)程曲線對(duì)比Fig.8 Comparison of acceleration time-history curves

對(duì)比試件各測點(diǎn)加速度峰值，如表7 所示，PGA和埋深對(duì)管廊加速度響應(yīng)影響顯著。隨PGA的增加管廊加速度峰值呈近似線性增長。隨著埋深增加，管廊各測點(diǎn)加速度峰值逐漸降低，即頂板加速度反應(yīng)最大，墻板次之，底板最小，由于遠(yuǎn)地表土壤密度大于近地表土壤密度，埋深越大所受約束越大，故近地表管廊測點(diǎn)加速度峰值更大，即管廊頂板更易損壞。2 種管廊加速度峰值在小震工況相差較小，大震工況差異較為明顯，EL4工況下LCUT頂板、側(cè)墻版、底板加速度峰值相較于OCUT分別可降低14.3%、15.8%、19.4%。

表7 管廊各測點(diǎn)加速度峰值Table 7 PGA of each measuring point for utility tunnel g

加速度放大系數(shù)為結(jié)構(gòu)測點(diǎn)加速度峰值與PGA的比值，不同工況不同埋深下各測點(diǎn)加速度放大系數(shù)如圖9所示。各測點(diǎn)在各級(jí)荷載作用下加速度放大系數(shù)均大于1，表明土體對(duì)輸入加速度起放大作用。管廊加速度放大系數(shù)隨PGA的增大而逐漸減小，由于PGA增大，土體產(chǎn)生塑性變形，非線性特性增強(qiáng)，在傳播過程中土體吸收能量使得管廊的加速度放大系數(shù)減小。且隨PGA增大，管廊與土體間可能會(huì)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，影響地震能量的傳播，從而造成放大系數(shù)突變，如圖9（b）中曲面突出位置。管廊加速度放大系數(shù)變化規(guī)律與其加速度變化規(guī)律一致，即均隨埋深的增大而逐漸減小。使用全輕混凝土可降低管廊加速大放大系數(shù)，EL4工況下可降低13.2%。

圖9 加速度放大系數(shù)分布特征Fig.9 Distribution characteristics of acceleration amplification factor

2.4 鋼筋應(yīng)變反應(yīng)

鋼筋應(yīng)變反應(yīng)規(guī)律是研究管廊結(jié)構(gòu)抗震性能的重要依據(jù)，不同PGA作用下各測點(diǎn)鋼筋應(yīng)變反應(yīng)規(guī)律基本一致，因此僅列出幾個(gè)具有代表性的測點(diǎn)數(shù)據(jù)如表8所示。管廊各位置鋼筋應(yīng)變均隨PGA的增大而增大，角部鋼筋的應(yīng)變峰值明顯大于中部鋼筋，且各壁板兩端鋼筋應(yīng)變峰值相差較小，表明管廊在受震過程中仍具有較好的對(duì)稱性。上部鋼筋應(yīng)變峰值略大于下部鋼筋，究其原因是下部管廊所受側(cè)向土壓力更大，限制了管廊各壁板間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。腋角處斜向鋼筋起著加強(qiáng)連接節(jié)點(diǎn)作用，由其應(yīng)變反應(yīng)可知，腋角處鋼筋在結(jié)構(gòu)受震過程中承受一部分應(yīng)力，傳力效果較好，能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性能。應(yīng)用全輕頁巖陶粒混凝凝土可有效降低管廊鋼筋應(yīng)變反應(yīng)，EL4 工況下，LCUT 相較于OCUT其鋼筋應(yīng)變最大可降低46%。

表8 管廊各鋼筋測點(diǎn)應(yīng)變峰值Table 8 Strain peak of each measuring point for utility tunnels με

2.5 結(jié)構(gòu)層間位移反應(yīng)

小震工況試件位移較小，所測得結(jié)構(gòu)層間位移時(shí)程曲線比較稀疏；隨著PGA增大，試件位移反應(yīng)變強(qiáng)。EL4工況管廊層間位移時(shí)程曲線如圖10所示，此工況2種管廊結(jié)構(gòu)的層間位移時(shí)程曲線波形吻合較好，但峰值相差較大，且曲線末端均未歸于零點(diǎn)，表明兩種管廊均已發(fā)生塑性變形，究其原因是管廊結(jié)構(gòu)在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中的損傷累積和非線性發(fā)展的不可逆性。

圖10 層間位移時(shí)程曲線對(duì)比Fig.10 Comparison of interlayer displacement time-history curves

不同工況下2 種管廊結(jié)構(gòu)的層間位移峰值如表9 所示。小震工況，管廊層間位移峰值隨PGA的增大呈線性增長；EL4 工況，管廊層間位移峰值驟增，兩種管廊的層間位移峰值分別為6.151 mm 和4.299 mm，差距更為顯著。LCUT 相較于OCUT 其層間位移峰值降低30.1%，表明應(yīng)用全輕頁巖陶?；炷量纱蠓档凸芾冉Y(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移峰值。試驗(yàn)結(jié)束后未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)有明顯損傷，說明全輕混凝土管廊變形能力和抗震性能良好。

表9 管廊層間位移峰值Table 9 Interlayer displacement peak for utility tunnel mm

3 結(jié)論

通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)比分析了普通混凝土和全輕頁巖陶?；炷裂b配式管廊的抗震性能，得到以下結(jié)論：

（1）在均勻黏土中，2種管廊結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律一致，其加速度和層間位移反應(yīng)均隨PGA的增大而增大，隨埋深的增大而減小，故在實(shí)際工程中可考慮增加管廊埋深及對(duì)其頂板進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

（2）應(yīng)用全輕頁巖陶粒混凝土可大幅降低管廊結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。PGA為0.8 g 時(shí)，全輕混凝土管廊相較于普通混凝土管廊，加速度峰值可降低19.4%，層間位移峰值可降低30.1%，鋼筋應(yīng)變峰值可降低46%。

（3）各級(jí)加載下，2 種管廊結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)變峰值均呈現(xiàn)出角部大中間小的特點(diǎn)，且各壁板兩端鋼筋應(yīng)變峰值相差較小，表明管廊在受震過程中仍具有較好的對(duì)稱性。

（4）管廊鋼筋應(yīng)變反應(yīng)和層間位移反應(yīng)均隨PGA的增大而增大。PGA為0.8 g 時(shí)，全輕頁巖混凝土管廊鋼筋應(yīng)變峰值為28.753 με，位移峰值為4.299 mm，試驗(yàn)結(jié)束后未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)有明顯損傷，說明結(jié)構(gòu)具有良好的變形能力和抗震性能。