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        裝配式蓋板涵構(gòu)件搭接強(qiáng)度分析

        2012-01-23 05:29:36寇宏剛母進(jìn)偉鄭俊杰
        關(guān)鍵詞:涵洞凹槽蓋板

        寇宏剛, 馬 強(qiáng), 母進(jìn)偉, 鄭俊杰

        (1. 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030006;2. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430074;3. 貴州省公路工程集團(tuán)總公司, 貴州 貴陽(yáng) 550008)

        目前,關(guān)于涵洞的研究多集中于預(yù)制卵形涵洞以及現(xiàn)澆混凝土涵洞。楊建華[1]分析了卵形涵洞的受力特征及優(yōu)化軸線;張發(fā)祥[2]分析了拱形涵洞的內(nèi)力特征;康佐等[3]通過(guò)離心模型分析了現(xiàn)澆涵洞的病害機(jī)理;馮居中[4]研究了管涵的土壓力特征;陳保國(guó)等[5,6]通過(guò)數(shù)值模擬分析了現(xiàn)澆蓋板涵和拱涵的內(nèi)力特征及地基處理效果對(duì)內(nèi)力特征影響。對(duì)于現(xiàn)澆填埋式混凝土涵洞,我國(guó)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定必須待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后,方可進(jìn)行涵周路堤的填筑[7],因而公路建設(shè)的總體進(jìn)度大大受到影響。為縮短涵洞工程的建設(shè)工期,加快公路建設(shè)進(jìn)度,混凝土涵洞預(yù)制裝配施工方法成為很好的選擇。但是,當(dāng)前關(guān)于裝配式涵洞的研究卻極少[8],致使裝配式涵洞的設(shè)計(jì)和施工缺少足夠的依據(jù)。本文通過(guò)有限元法對(duì)裝配式蓋板涵進(jìn)行了分析,重點(diǎn)分析裝配式蓋板涵構(gòu)件搭接強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性,為裝配式涵洞的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

        1 裝配式蓋板涵

        1.1 施工流程簡(jiǎn)介

        裝配式蓋板涵首次在貴州省惠(水)興(仁)高速公路第七合同段得以應(yīng)用,蓋板涵斷面如圖1所示。預(yù)制裝配施工流程簡(jiǎn)介如下:(1) 現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)上表面預(yù)留5 cm高的凹槽用于擱置涵臺(tái);(2) 涵臺(tái)、臺(tái)帽和蓋板在預(yù)制廠集中預(yù)制;(3) 待基礎(chǔ)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%之后,將涵臺(tái)、臺(tái)帽、蓋板運(yùn)至涵洞工程所在位置;(4) 涵臺(tái)和臺(tái)帽安裝。將涵臺(tái)靠凹槽邊緣就位安裝。臺(tái)帽安裝于涵臺(tái)之上,并用C25自密實(shí)混凝土座漿5 cm厚進(jìn)行粘結(jié);(5) 蓋板安裝。

        在貴州惠興高速公路第七合同段利用該方法施工的蓋板涵共15座,其共同特征是涵臺(tái)較高且跨度較大,凈高和凈跨達(dá)到4m×4m(如圖1所示)。

        圖1 蓋板涵洞裝配斷面示意/mm

        1.2 存在的問(wèn)題

        與現(xiàn)澆蓋板涵相比,裝配式蓋板涵結(jié)構(gòu)的整體性較差,其構(gòu)件搭接強(qiáng)度是否滿足要求是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。裝配式蓋板涵的構(gòu)件搭接部位為:臺(tái)帽與涵臺(tái)的搭接和涵臺(tái)與基礎(chǔ)的搭接,如圖1所示。如果這兩處搭接部位強(qiáng)度不足,就可能導(dǎo)致涵洞結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。當(dāng)然搭接部位的局部破壞也是不允許的。下面做進(jìn)一步分析。

        裝配式蓋板涵的臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接采用C25混凝土座漿粘結(jié),先后澆筑的混凝土粘結(jié)抗剪強(qiáng)度受多種因素影響[9~11],如是否植筋、鑿毛等,總之較整體澆筑混凝土抗剪強(qiáng)度低。在側(cè)向土壓力作用下,涵臺(tái)和臺(tái)帽之間的橫向剪切作用可能造成該處搭接的剪切破壞。本文模型的涵洞搭接處采用鑿毛方案。依據(jù)文獻(xiàn)[12]研究結(jié)果,搭接處抗剪強(qiáng)度為同等級(jí)混凝土抗剪強(qiáng)度的67%。

        涵臺(tái)直接擱置在基礎(chǔ)頂部與基礎(chǔ)搭接,初步設(shè)計(jì)方案為在基礎(chǔ)頂部設(shè)計(jì)了深度為5 cm的擱置凹槽。在側(cè)向土壓力作用下,如直接擱置于基礎(chǔ)頂部的涵臺(tái)發(fā)生大的水平位移,將引起涵洞結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。另外,涵臺(tái)對(duì)凹槽的作用會(huì)引起凹槽局部應(yīng)力集中,如果凹槽局部強(qiáng)度不足,會(huì)影響到涵洞的正常使用。

        2 有限元分析

        2.1 計(jì)算模型的建立

        涵洞問(wèn)題可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析,有限元模型幾何尺寸如圖1所示。涵頂填土高度H=12 m,將填土簡(jiǎn)化為線性荷載作用于涵體。路堤填土的重度γ=18 kN/m3?;炷敛牧线x用線彈性模型,參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 蓋板涵洞各構(gòu)件材料參數(shù)

        采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格邊線的尺寸約為0.1 m,同時(shí)應(yīng)用縮減積分單元。涵臺(tái)與基礎(chǔ)之間的法向接觸采用“硬接觸”模型,切向作用采用罰函數(shù)摩擦模型。

        2.2 計(jì)算結(jié)果分析

        2.2.1結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

        (1)Hofstede(1990)量表。他從人類文化學(xué)的角度對(duì)企業(yè)文化做了深入的探討,構(gòu)建了由企業(yè)價(jià)值觀和實(shí)踐兩部分組成的企業(yè)文化量表,其中價(jià)值觀是核心,具有三個(gè)維度,分別是安全需要、關(guān)注工作和權(quán)力需求;實(shí)踐部分則由六個(gè)獨(dú)立的成對(duì)維度組成,分別是過(guò)程導(dǎo)向-結(jié)果導(dǎo)向、員工導(dǎo)向-工作導(dǎo)向、本地化-專業(yè)化、開(kāi)放-封閉、控制松散-控制嚴(yán)格、規(guī)范化-實(shí)用化。全套問(wèn)卷共有135道題目,通過(guò)實(shí)證研究,Hofstede認(rèn)為不同組織間的企業(yè)文化主要是由其習(xí)慣決定的,價(jià)值觀層面的差異較小。

        (1) 基礎(chǔ)頂部不設(shè)凹槽

        如基礎(chǔ)頂部不設(shè)涵臺(tái)放置凹槽,即Δh=0,可通過(guò)考察涵臺(tái)內(nèi)側(cè)邊線的水平位移來(lái)分析涵洞的穩(wěn)定性,即圖1中的B邊水平位移??紤]到涵臺(tái)與基礎(chǔ)之間的切向作用不明確,在分析中將摩擦系數(shù)取為0、0.1、0.2和0.3。模型計(jì)算得到涵臺(tái)B邊水平位移如圖2所示。

        圖2 涵臺(tái)水平位移

        由圖2可以看出,涵臺(tái)與基礎(chǔ)之間界面摩擦系數(shù)從0變化為0.3時(shí),涵臺(tái)的位移都很小,這說(shuō)明涵洞結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)楹_(tái)的滑移而失穩(wěn)。不同摩擦系數(shù)時(shí),涵臺(tái)的水平位移差異也不大,這表明,涵臺(tái)與基礎(chǔ)之間的摩擦作用對(duì)涵臺(tái)穩(wěn)定性的影響不明顯。

        (2) 基礎(chǔ)頂部設(shè)凹槽

        當(dāng)基礎(chǔ)頂部設(shè)2 cm或5 cm深凹槽時(shí),涵臺(tái)與基礎(chǔ)之間摩擦系數(shù)取為0.1。計(jì)算得到涵臺(tái)B邊水平位移如圖3所示。

        圖3 不同凹槽的涵臺(tái)水平位移

        由圖3可以看出,涵臺(tái)水平位移極小,凹槽嚴(yán)格限制了涵臺(tái)的水平位移。而不設(shè)凹槽時(shí),涵臺(tái)水平位移相對(duì)較大,而該位移量的絕對(duì)數(shù)值不是很大。

        2.2.2臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接強(qiáng)度分析

        (1) 基礎(chǔ)頂部不設(shè)凹槽

        基礎(chǔ)頂部不設(shè)凹槽時(shí),模型計(jì)算得到臺(tái)帽與涵臺(tái)的搭接處剪應(yīng)力如圖4所示。

        圖4 臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接處剪應(yīng)力

        τmax<[τ]

        (1)

        式中,τmax為最大剪應(yīng)力;[τ]為混凝土抗剪強(qiáng)度。查《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.2條,可知C25混凝土抗剪強(qiáng)度容許應(yīng)力為[τ]=2.0 MPa。當(dāng)填土高度H=12 m時(shí),有臺(tái)帽與涵臺(tái)間界面最大剪應(yīng)力0.35 MPa<2.0 MPa×67%。式中67%是文獻(xiàn)[12]提出的先、后澆筑混凝土界面的強(qiáng)度折減系數(shù)。可見(jiàn),臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接處強(qiáng)度是滿足要求的,不會(huì)發(fā)生剪切破壞。如果按照安全系數(shù)法:

        F=[τ]/τmax

        (2)

        計(jì)算搭接處抗剪安全系數(shù),則有:

        因此,基礎(chǔ)頂部不設(shè)凹槽時(shí),臺(tái)帽與涵臺(tái)的搭接強(qiáng)度儲(chǔ)備是足夠的。其他填土高度情況類似。

        (2) 基礎(chǔ)頂部設(shè)凹槽

        涵臺(tái)與基礎(chǔ)之間摩擦系數(shù)取0.1,基礎(chǔ)頂部凹槽深度設(shè)計(jì)為0 cm、2 cm和5 cm時(shí),計(jì)算得到臺(tái)帽與搭接處剪切應(yīng)力如圖5所示。

        圖5 不同凹槽深度時(shí)臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接處剪應(yīng)力

        由圖5可看出,同一填土高度下,臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接處剪應(yīng)力分布不均勻。填土高度H=12 m時(shí),最大剪應(yīng)力為0.40 MPa。如按照式(1)判斷臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接強(qiáng)度是否滿足要求,則當(dāng)凹槽深度為5 cm時(shí),有0.40 MPa<2.0 MPa×67%,這表明臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接處強(qiáng)度是滿足要求的。如果依據(jù)安全系數(shù)法的式(2)進(jìn)行考察,則有:

        因此,當(dāng)基礎(chǔ)頂部設(shè)凹槽時(shí),臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接強(qiáng)度的安全儲(chǔ)備是足夠的。

        2.2.3基礎(chǔ)頂部凹槽局部強(qiáng)度分析

        涵臺(tái)對(duì)凹槽的作用造成凹槽局部應(yīng)力集中,如凹槽局部強(qiáng)度不足,會(huì)影響到涵洞的正常使用。涵臺(tái)與基礎(chǔ)間的摩擦系數(shù)取0.1,得到不同填土高度情況下凹槽局部最大主應(yīng)力如圖6所示。

        圖6 凹槽最大主應(yīng)力

        由圖6可看出,凹槽深度為5 cm時(shí),應(yīng)力先減小,后逐漸增大。凹槽深度為2 cm時(shí)也有同樣的規(guī)律。當(dāng)凹槽深5 cm時(shí),填土高度4 m到5 m之間時(shí),最大主應(yīng)力出現(xiàn)最小值;而凹槽2 cm時(shí),最大主應(yīng)力最小值出現(xiàn)在12 m到13 m之間。

        根據(jù)第一強(qiáng)度準(zhǔn)則[14]判定凹槽局部強(qiáng)度,填土高度12 m且槽深2 cm時(shí),最大剪應(yīng)力為0.375 MPa<2.0 MPa??梢?jiàn),凹槽局部強(qiáng)度是滿足要求的。如果按照安全系數(shù)的方法考察,則:

        因此,凹槽局部強(qiáng)度儲(chǔ)備是足夠的。為了考察凹槽局部的強(qiáng)度儲(chǔ)備規(guī)律,計(jì)算得到填土高度1 m到15 m的凹槽局部安全系數(shù),如圖7所示。

        圖7 凹槽局部安全系數(shù)

        由圖7可以看出,在填土高度變化的情況下,凹槽局部安全系數(shù)最小為3.4??梢?jiàn)凹槽局部強(qiáng)度的儲(chǔ)備是足夠的。

        3 結(jié) 論

        本文建立了基礎(chǔ)頂部不設(shè)涵臺(tái)擱置凹槽、設(shè)2 cm深凹槽和設(shè)5 cm深凹槽的三個(gè)裝配式蓋板涵有限元模型,分析了蓋板涵結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性、臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接處強(qiáng)度及基礎(chǔ)頂部凹槽局部強(qiáng)度。得到了以下主要結(jié)論:

        (1) 無(wú)論基礎(chǔ)頂部是否設(shè)凹槽,臺(tái)帽與涵臺(tái)搭接強(qiáng)度均滿足要求,不會(huì)發(fā)生剪切破壞,涵洞結(jié)構(gòu)也是穩(wěn)定的。

        (2) 當(dāng)基礎(chǔ)頂部凹槽深度為2 cm或5 cm時(shí),凹槽局部應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,但凹槽局部強(qiáng)度及儲(chǔ)備均滿足要求。

        (3) 參數(shù)分析表明,涵臺(tái)與基礎(chǔ)之間的摩擦作用對(duì)涵洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響不大。

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