預制裝配式混凝土電纜溝節(jié)點受力性能分析

鐘維軍，金 權，戴戎楠，周春恒

(1.寧波市電力設計院有限公司，浙江 寧波 315020；2.寧波大學，浙江 寧波 315211)

0 引言

隨著現(xiàn)代城市建設的發(fā)展，城市電網(wǎng)建設逐漸由架空線形式轉入地下電纜形式，其鋪設方式主要有電纜溝、電纜排管以及電纜隧道等[1]。預制裝配式混凝土電纜溝不僅能加快施工進度，還能有效提高結構承載力，強化城區(qū)的供電保障能力以及提高管線運行的安全性，在地下輸配電結構中具有很好的應用前景[2]。

國內對預制裝配式混凝土電纜溝已開展了大量研究。文獻[3]對預制裝配式混凝土電纜溝在車輛荷載作用下的力學性能進行了數(shù)值模擬分析，結果表明車輛輪壓的作用位置和覆土厚度對結構頂板底面的豎向位移、拉應力影響顯著；文獻[4]對預制高性能混凝土電纜溝的抗裂性進行研究，結果表明預制高性能混凝土電纜溝的破壞主要集中于蓋板處，且高性能混凝土可以一定程度上提高混凝土的抗裂性；文獻[5]對大型電力工作井預制裝配式結構體系進行研究，提出了一種分塊拼接的裝配式整體混凝土大板結構方案，此方案拼接出的裝配式工作井不僅具有良好的防滲性，還保證了結構的整體性；文獻[6]對新型預制裝配式電纜操作工井設計進行了研究，結果表明裝配式工井的連接細部處理仍有較大的優(yōu)化空間，在材料的選擇上也有不斷開發(fā)的余地。

預制裝配式混凝土電纜溝井之間存在明顯的分段連接問題，其連接節(jié)點受力形式多樣，相比傳統(tǒng)電纜溝節(jié)點的應力狀態(tài)更為復雜，而其承載性能是保證結構整體安全可靠的關鍵。但國內外對預制混凝土電纜溝連接節(jié)點力學性能的研究還比較缺乏。因此，下面選擇螺栓連接預制裝配式混凝土電纜溝節(jié)點為研究對象，通過數(shù)值模擬分析了節(jié)點的力學性能和破壞特征，為電纜溝工程預制裝配化發(fā)展提供必要的技術支持。

1 有限元模型建立

1.1 模型參數(shù)

如圖1所示，預制裝配式混凝土電纜溝連接節(jié)點ABAQUS 有限元模型由兩節(jié)預制混凝土電纜溝、四塊加載墊塊、兩個鋼筋網(wǎng)及六個彎螺栓構成，預制裝配式混凝土電纜溝-工作井連接節(jié)點有限元模型由一節(jié)預制混凝土電纜溝、一塊預制混凝土工作井側板、一塊加載鋼板、兩個鋼筋網(wǎng)及六個直螺栓構成；鋼筋網(wǎng)部件均由縱向受力筋和橫向分布筋合并(Merge)而成，混凝土保護層厚度均為15 mm。試件具體尺寸參數(shù)如表1 所示。

表1 試件具體尺寸參數(shù) 單位：mm

圖1 預制裝配式混凝土電纜溝連接節(jié)點有限元模型

1.2 材料本構

混凝土采用塑性損傷模型本構模型，根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》確定受壓及受拉應力-應變關系，具體參數(shù)設置如表2 所示；鋼筋和螺栓采用雙折線彈塑性強化本構模型，具體參數(shù)設置如表3 所示。

表2 混凝土塑性損傷模型本構參數(shù)

表3 雙折線彈塑性強化本構參數(shù)表

1.3 接觸定義及邊界條件

該ABAQUS 有限元模型具體接觸設置如表4所示，邊界條件參數(shù)設置如表5 所示。

表4 有限元模型接觸設置

1.4 單元類型及網(wǎng)格劃分

預制混凝土部件及螺栓均采用C3D8R 單元(C表示體單元，3D 表示三維單元，8 表示八節(jié)點，R表示Reduced 減縮積分)，鋼筋網(wǎng)采用T3D2 單元(T代表Truss (桁架單元)，3D 代表三維模型，2 代表兩個節(jié)點）；電纜溝節(jié)點有限元模型中彎螺栓與預制混凝土電纜溝核心連接區(qū)采用四面體網(wǎng)格，單元網(wǎng)格尺寸為10 mm，剩余預制電纜溝混凝土區(qū)域和其余部件以及電纜溝-工作井節(jié)點有限元模型均采用六面體網(wǎng)格，采用掃掠網(wǎng)格(Sweep)進行網(wǎng)格劃分，單元網(wǎng)格尺寸控制在20 mm 左右。

2 模型驗證

2.1 試驗概況

兩組試驗均為靜力加載，其中電纜溝節(jié)點試驗采用四點彎曲加載，電纜溝-工作井節(jié)點試驗采用單點彎曲加載。電纜溝節(jié)點試件由兩節(jié)預制混凝土電纜溝組成，預制混凝土電纜溝之間使用6個8.8 級M14 彎螺栓連接；電纜溝-工作井節(jié)點試件由一節(jié)預制混凝土電纜溝與一塊預制混凝土工作井側板組成，通過在預制混凝土電纜溝內預埋螺紋鋼，使用6 個5.6 級M14 直螺栓將預制電纜溝與工作井側板連接。電纜溝節(jié)點試件所用混凝土強度等級為C30，28 天實測立方體抗壓強度為30.3 MPa，彈性模量為30 000 MPa；電纜溝-工作井節(jié)點試件所用混凝土強度等級為C50，28天實測立方體抗壓強度為48.1 MPa，彈性模量為33 500 MPa；鋼筋均采用直徑為8 mm 的HRB400螺紋鋼，彎螺栓實測屈服強度為408 MPa，極限強度為491.5 MPa，彈性模量為2.06×105MPa；直螺栓實測屈服強度為408 MPa，極限強度為491.5 MPa，彈性模量為2.06×105MPa。

2.2 實際試驗與有限元模擬結果對比

圖2、3 分別是電纜溝節(jié)點試件荷載-撓度曲線、電纜溝-工作井節(jié)點試件荷載-撓度曲線，由圖可以看出節(jié)點試驗與數(shù)值模擬的豎向撓度隨荷載變化趨勢大致相同，各階段荷載撓度特征值總體上吻合較好。由于在有限元分析計算時采用了螺栓預緊力，并考慮到混凝土開裂與破碎導致的剛度下降等，所模擬出的結果與實際測試情況的更加符合；同時，有限元計算結果跨中撓度偏大，極限荷載偏小，這是在有限元分析中沒有考慮混凝土與鋼筋的粘結滑移所導致的，從實際試驗來說混凝土的不均勻性及初始微裂縫等因素可能會導致試驗跨中撓度偏小。

圖2 電纜溝節(jié)點試件荷載-撓度曲線

圖3 電纜溝-工作井節(jié)點試件荷載-撓度曲線

由電纜溝-工作井節(jié)點試件損傷模擬結果(見圖4)與實際測試試件損傷的對比可以看出，有限元損傷模擬結果與實際測試試件裂縫的分布區(qū)域基本吻合。

圖4 電纜溝-工作井節(jié)點試件損傷模擬結果

因此，可以得出所建立的有限元模型參數(shù)選擇和模擬結果較為合理，與實際試驗情況具有一致性，可用于后續(xù)的試驗分析。

3 有限元結果分析

3.1 電纜溝連接節(jié)點有限元結果分析

3.1.1 試件受拉損傷變化規(guī)律

分析預制裝配式混凝土電纜溝連接節(jié)點受拉損傷發(fā)展的模擬過程：在加載初期，受拉損傷首先出現(xiàn)于預制混凝土電纜溝手孔附近，且預制混凝土電纜溝側板出現(xiàn)明顯的垂直主裂縫；隨著荷載的不斷增大，混凝土受拉損傷快速發(fā)展，電纜溝側板上垂直主裂縫不斷向電纜溝連接面發(fā)展，使最下層螺栓連接處出現(xiàn)明顯斜裂縫，荷載進一步增大；最終，混凝土受拉損傷遍布整個螺栓連接核心區(qū)，斜裂縫繼續(xù)擴展和延伸，導致電纜溝最底部混凝土被拉碎，試件發(fā)生破壞。從最終的破壞模擬結果中可以明顯看出，除螺栓連接的核心混凝土區(qū)外，其余混凝土區(qū)域幾乎沒有出現(xiàn)明顯的受拉損傷。

3.1.2 混凝土應力分析

分析預制裝配式混凝土電纜溝連接節(jié)點有限元模型的混凝土應力發(fā)展的模擬過程：電纜溝連接節(jié)點試件的混凝土應力主要分布于混凝土頂部受壓區(qū)和手孔處；隨著荷載的不斷增大，混凝土頂部受壓區(qū)混凝土應力不斷增加且向下發(fā)展，手孔處混凝土應力不斷增加且向上發(fā)展，最終導致預制裝配式混凝土電纜溝頂部被壓碎。

3.1.3 鋼筋應力分析

分析預制裝配式混凝土電纜溝連接節(jié)點有限元模型的鋼筋應力發(fā)展的模擬過程：在加載初期，鋼筋基本處于彈性變形階段，不是荷載的主要承擔者；隨著荷載的進一步增大，中下層螺栓接觸處的鋼筋不斷屈服；同時，構造加強筋明顯受力，而非螺栓連接區(qū)鋼筋幾乎不受力，這說明在螺栓連接區(qū)布置一定的加強筋可以有效提高試件的承載能力，而非螺栓連接區(qū)在實際應用中可適當減少鋼筋布置，節(jié)約成本。

3.2 電纜溝-工作井連接節(jié)點有限元結果分析

3.2.1 試件損傷變化規(guī)律

分析預制裝配式混凝土電纜溝-工作井連接節(jié)點有限元模型損傷發(fā)展的模擬過程：在加載初期，結構整體中上層混凝土出現(xiàn)明顯的受拉損傷；隨著荷載不斷增加，混凝土受拉損傷快速發(fā)展，主要分布于預制電纜溝與預制工作井側板螺栓連接核心區(qū)，這說明預制電纜溝的螺栓孔處混凝土可能會被拉碎，而預制工作井側板45°角處混凝土可能會出現(xiàn)斜裂縫；隨著荷載進一步增大，電纜溝最上層螺栓連接處受拉損傷快速向上發(fā)展，45°角處的斜裂縫不斷擴展延伸，最終導致電纜溝最頂部的混凝土被拉碎。從最終的破壞模擬結果中可以明顯看出，除螺栓連接的核心混凝土區(qū)外，其余混凝土區(qū)域幾乎沒有出現(xiàn)明顯的受拉損傷。

3.2.2 混凝土應力分析

分析預制裝配式混凝土電纜溝-工作井連接節(jié)點有限元模型的混凝土應力發(fā)展過程：在加載初期，預制電纜溝上出現(xiàn)了明顯的混凝土應力分布；隨著荷載的增加，預制電纜溝向下張開變形，導致混凝土應力快速發(fā)展，主要分布于試件的螺栓連接核心混凝土區(qū)；隨著荷載的進一步增大，電纜溝最頂部混凝土達到極限受拉應力，試件逐漸失效，最終電纜溝最頂部混凝土被拉碎，試件發(fā)生破壞。

3.2.3 鋼筋應力分析

分析預制裝配式混凝土電纜溝-工作井連接節(jié)點有限元模型的鋼筋應力發(fā)展的模擬過程：在加載前期，由于施加螺栓預緊力使螺桿受拉，進而帶動墊片擠壓預制工作井側板洞口處的混凝土及縱筋；加載初期，預制電纜溝存在向下張開變形的趨勢，試件依托螺栓加以抵抗，螺桿受拉應力逐漸增大，并通過混凝土將荷載傳遞給鋼筋；隨著荷載的增大，試件受拉區(qū)鋼筋逐漸達到受拉極限應力，其中靠近上部螺栓孔位置的鋼筋拉應力最大，同時，構造加強筋明顯受力，而非螺栓連接區(qū)鋼筋幾乎不受力，這說明在螺栓連接區(qū)布置一定加強筋可以有效提高試件承載能力，而非螺栓連接區(qū)在實際應用中可適當減少鋼筋布置，節(jié)約成本。

4 結論

1) 所建立的有限元模型各階段荷載位移特征、發(fā)展趨勢以及所得到的破壞性結果等均與實際試驗結果保持較好吻合度。

2) 在整個加載過程中，螺栓為荷載的主要承擔者，其技術參數(shù)對預制電纜溝井節(jié)點試件應力和損傷分布存在較大的影響。

3) 螺栓連接預制裝配式混凝土電纜溝結構具有較好的安全余量，該連接形式下的電纜溝結構及其節(jié)點具有較好的力學性能，是安全可靠的。

4) 通過分析，所建立的預制裝配式混凝土電纜溝連接節(jié)點的數(shù)值模型參數(shù)選擇和模擬結果較為合理，有效并準確地反映該電纜溝結構的力學性能，可為后續(xù)相關研究提供參考。