郭俊瓊

(中鐵二院， 四川成都 610031)

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預(yù)制拼裝綜合管溝接頭力學(xué)試驗(yàn)與非線性有限元分析

郭俊瓊

(中鐵二院， 四川成都 610031)

文章通過(guò)試驗(yàn)對(duì)預(yù)制拼裝綜合管溝接頭抗彎剛度和承載能力等力學(xué)特性進(jìn)行了研究，并運(yùn)用非線性有限元方法模擬出預(yù)應(yīng)力作用和接觸效應(yīng)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和校核。研究表明，預(yù)制拼裝綜合管溝接頭力學(xué)性能總體較好，破壞形態(tài)為混凝土壓碎，承載能力滿足要求。研究結(jié)果可作為后續(xù)設(shè)計(jì)與規(guī)范的參考。

接頭； 預(yù)制拼裝； 力學(xué)實(shí)驗(yàn)； 有限元

1 綜合管溝簡(jiǎn)介

綜合管溝，即指在城市地下建造一個(gè)隧道空間，將市政、電力、通訊、燃?xì)狻⒔o排水等各種管線納入其中，設(shè)有專門的檢修口、吊裝口和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一建設(shè)和統(tǒng)一管理。

綜合管溝是一種集約化、可持續(xù)性的管線敷設(shè)方式。最早出現(xiàn)在1833年的法國(guó)，并迅速在西方發(fā)達(dá)國(guó)家得到推廣應(yīng)用。經(jīng)過(guò)百余年的發(fā)展 ，綜合管溝已成為上述國(guó)家最主要的管線建設(shè)方式之一。大量工程實(shí)踐表明，綜合管溝具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：①避免由于敷設(shè)和維修地下管線頻繁挖掘道路而對(duì)交通和居民出行造成影響和干擾；②便于各種管線的敷設(shè)、增減、維修和日常管理；③保證城市生命線的安全運(yùn)行，提高管線使用壽命；④綜合利用城市寶貴的地下空間；⑤美化城市環(huán)境，消除視覺污染；⑥提升城市品味，增加土地開發(fā)潛力。

我國(guó)現(xiàn)代化的綜合管溝建設(shè)開始于1993年，為當(dāng)時(shí)上海浦東新區(qū)張楊路綜合管溝工程。該工程投入使用后取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。隨后，廣州、深圳、昆明、武漢等地也依據(jù)自身需要紛紛開始了綜合管溝的規(guī)劃和建設(shè)。十余年的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)在展示綜合管溝顯著優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也充分揭示了目前我國(guó)綜合管溝建設(shè)中存在的諸多不足，其中建設(shè)周期長(zhǎng)、建設(shè)質(zhì)量不高、建設(shè)期間環(huán)境影響大等問題尤為突出。因此，如何采用先進(jìn)的建造工藝以縮短建設(shè)周期、提高建設(shè)質(zhì)量、降低環(huán)境影響，是推動(dòng)我國(guó)綜合管溝進(jìn)一步發(fā)展所亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

迄今為止，我國(guó)已建的綜合管溝工程均采用現(xiàn)澆混凝土工藝施工，而國(guó)外則普遍采用預(yù)制拼裝工藝。預(yù)制拼裝工藝是工業(yè)化的混凝土生產(chǎn)方式，從1891年首次應(yīng)用至今已取得豐富的應(yīng)用與研究成果，并在土木工程各領(lǐng)域發(fā)揮著不可取代的作用。與現(xiàn)澆混凝土工藝相比，預(yù)制拼裝工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：①預(yù)制拼裝工藝大部分的施工工序在預(yù)制構(gòu)件廠完成，減少了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間，縮短了工期；②預(yù)制拼裝工藝采用工廠化的生產(chǎn)流程和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，有效地提高了工程建設(shè)質(zhì)量；③預(yù)制拼裝工藝無(wú)需在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大量的混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)，降低了對(duì)周圍環(huán)境的影響。因此，將預(yù)制拼裝工藝應(yīng)用于綜合管溝建設(shè)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)性能、設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)開展試驗(yàn)研究與理論分析，具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

本試驗(yàn)主要研究的內(nèi)容是預(yù)制拼裝綜合管溝接頭力學(xué)特性，即根據(jù)前期進(jìn)行的預(yù)制綜合管溝整體防滲試驗(yàn)得到合理預(yù)應(yīng)力值，對(duì)接頭試驗(yàn)中的兩個(gè)試件進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋張拉，并通過(guò)對(duì)試件的加載試驗(yàn)，研究在張拉預(yù)應(yīng)力筋下預(yù)制拼裝綜合管溝接頭的抗彎剛度和抗彎承載能力。

2.2 試件設(shè)計(jì)

在這里把預(yù)制拼裝綜合管溝接頭力學(xué)試驗(yàn)試件命名為試件JT-P。

試件主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

(1)試件采用C40防水混凝土澆筑，防滲等級(jí)S6，保護(hù)層厚度為50 mm；

(2)試件由2塊300 mm厚混凝土板拼接而成，具體尺寸如圖1所示；

(3)試件在拼縫處設(shè)置膨脹橡膠條；

(4)試件的縱向均配置配筋率為0.25 %構(gòu)造配筋，環(huán)向內(nèi)側(cè)配筋率均為0.65 %，環(huán)向跨中外側(cè)配筋率均為0.3 %，環(huán)向支座外側(cè)配筋率均為0.65 %，如圖2所示。

圖1 試件JT-P構(gòu)造(單位:mm)

圖2 試件JT-P配筋(單位:mm)

JT-P詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

試驗(yàn)中預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力值的確定是基于前期進(jìn)行的預(yù)制拼裝綜合管溝整體防滲試驗(yàn)，以同時(shí)保證接縫具有良好的防滲性能和力學(xué)性能。

2.3 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)過(guò)程采用單調(diào)靜力試驗(yàn)加載制度，為三分點(diǎn)加載。試驗(yàn)加載與加載裝置(圖3)。

表1 試件明細(xì)

圖3 加載示意(單位:mm)

2.4 測(cè)試內(nèi)容

測(cè)試內(nèi)容主要包括以下幾項(xiàng)：(1)預(yù)應(yīng)力筋張拉過(guò)程中預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變；(2)加載點(diǎn)荷載值；(3)拼縫截面曲率；(4)試件跨中撓度；(5)加載過(guò)程中預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變；(6)純彎段縱向普通鋼筋應(yīng)變；(7)混凝土裂縫開展情況及裂縫寬度。

2.5 測(cè)點(diǎn)布置

2.5.1 位移計(jì)布置

位移計(jì)布置見圖4。

(1)試件前側(cè)面跨中沿截面高度方向上布置4個(gè)40 mm標(biāo)距的位移計(jì)(壓區(qū)3個(gè)，拉區(qū)1個(gè))，共需位移計(jì)4個(gè)；

(2)試件前側(cè)面跨中右側(cè)300 mm處沿截面高度方向上布置4個(gè)標(biāo)距100 mm的位移計(jì)(壓區(qū)3個(gè)，拉區(qū)1個(gè))，共需位移計(jì)4個(gè)；

(3)試件后側(cè)接縫處上、下表面各布置1個(gè)200 mm標(biāo)距的位移計(jì)，共需位移計(jì)2個(gè)；

(4)試件跨中沿寬度方向布置2個(gè)豎向位移計(jì)，共需位移計(jì)2個(gè)；

(5)試件每邊支座處布置2個(gè)豎向位移計(jì)，共需位移計(jì)4個(gè)。

圖4 位移計(jì)布置

2.5.2 應(yīng)變片布置

應(yīng)變片布置見圖5。

(1)試件前側(cè)面跨中右側(cè)150 mm處沿截面高度方向上等間距布置5片80 mm混凝土應(yīng)變片，共需混凝土應(yīng)變片5片；

(2)試件后側(cè)面和中截面上、下表面距跨中右側(cè)150 mm和300 mm處各布置1片80 mm混凝土應(yīng)變片，共需混凝土應(yīng)變片8片；

(3)每根預(yù)應(yīng)力筋中點(diǎn)及端點(diǎn)各布置2片鋼筋應(yīng)變片，共需鋼筋應(yīng)變片6片。

圖5 應(yīng)變片布置

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)現(xiàn)象

按照試驗(yàn)方案，試驗(yàn)荷載將由0逐漸增大到600 kN，但實(shí)際當(dāng)荷載增大到550 kN左右時(shí)，結(jié)構(gòu)變形過(guò)大，處于破壞狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)束。按照荷載的增大過(guò)程，試驗(yàn)共分為三個(gè)階段。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，各個(gè)階段試驗(yàn)的主要現(xiàn)象見表2。

表2 試驗(yàn)主要現(xiàn)象

結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的圖像見圖6。

圖6 試件JT-P破壞示意

3.2 試驗(yàn)結(jié)果整理與分析

通過(guò)試驗(yàn)，可得荷載-撓度曲線、拼縫彎矩-轉(zhuǎn)角曲線和預(yù)應(yīng)力筋彎矩-應(yīng)變曲線(圖7～圖9)。

圖7 荷載-撓度曲線

由圖7知，當(dāng)荷載在300 kN以下時(shí)，結(jié)構(gòu)中央拼縫處的撓度基本呈線性變化，而當(dāng)荷載超過(guò)400 kN后，隨著荷載的增加，撓度開始迅速增大。當(dāng)荷載加大到520 kN時(shí)，結(jié)構(gòu)的撓度達(dá)到最大，為22.8 cm。

圖8 拼縫處彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

由圖8知，拼縫處最大轉(zhuǎn)角為0.14 rad，結(jié)構(gòu)拼縫處彎矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系，可以用3段折線來(lái)描述。當(dāng)彎矩在250 kN·m以下時(shí)，轉(zhuǎn)角增大不多；當(dāng)彎矩超過(guò)250 kN·m之后，轉(zhuǎn)角的增大開始加快；當(dāng)彎矩達(dá)到325 kN·m左右時(shí)，轉(zhuǎn)角的增大逐漸變?yōu)橐粭l水平的直線，即在彎矩不變的情況下，轉(zhuǎn)角也持續(xù)增大，顯示此時(shí)接縫處已經(jīng)形成塑性鉸。

圖9 拼縫彎矩-預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變曲線

由圖9看出，拼縫處預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變隨著彎矩的增加基本呈線性變化。其初始應(yīng)變?yōu)閺埨?，結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的最大應(yīng)變?yōu)?.02左右。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果小結(jié)

通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)中的觀察和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理可知，預(yù)制拼裝綜合管溝接頭結(jié)構(gòu)的極限承載力大致為500 kN左右，破壞形態(tài)為接縫處上端混凝土壓碎，預(yù)應(yīng)力筋未遭到破壞，還可以繼續(xù)承載。試驗(yàn)結(jié)果顯示預(yù)應(yīng)力筋并未充分利用，分析其原因可能是預(yù)應(yīng)力鋼筋處于結(jié)構(gòu)斷面中部接近中和軸位置，受力不是太大。

4 非線性有限元分析

4.1 模型和單元

采用大型有限元分析軟件ANSYS建立管溝接頭的有限元模型。采用ANSYS中有專門的混凝土單元Solid65單元來(lái)構(gòu)建混凝土，其可以用來(lái)模擬混凝土的性質(zhì)，譬如開裂、收縮、徐變、彈塑性等。選用Link8單元，并用約束位移法，來(lái)模擬預(yù)應(yīng)力筋的作用。Link8單元承受單向拉力、壓力，并可以模擬鋼材的彈塑性性質(zhì)。結(jié)構(gòu)中央接縫處，采用CONTA174接觸單元，覆蓋于3D實(shí)體元表面，可處理庫(kù)倫摩擦和剪應(yīng)力摩擦。

4.2 材料屬性

材料性能通過(guò)澆筑試件并與試驗(yàn)構(gòu)件同條件養(yǎng)護(hù)，預(yù)應(yīng)力筋的強(qiáng)度通過(guò)拉伸試驗(yàn)確定。混凝土單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系上升段采用GB 50010-2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的公式，下降段采用Hongnestad的處理方法，即：

當(dāng)εc≤εo時(shí)，

當(dāng)εo<εc≤εcu時(shí)，

按照規(guī)范計(jì)算和規(guī)定分別求得n=2，εo=0.002，εcu=0.0 033，上述曲線可以用一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合以便輸入，此處采用多線性等向強(qiáng)化模型MISO模擬。預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可采用理想彈塑性模型，這里采用雙線性等向強(qiáng)化模型BISO模擬。輸入ANSYS中的材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。

4.3 建立有限元模型

采用分離式位移協(xié)調(diào)模型，不考慮預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間的黏結(jié)與滑移，建立的結(jié)構(gòu)有限元模型(圖10)。

圖10 有限元模型

以實(shí)驗(yàn)測(cè)得的破壞荷載分步施加在梁上，加載位置與實(shí)驗(yàn)相同。求解時(shí)設(shè)置80個(gè)荷載步，分析時(shí)考慮材料非線性和幾何非線性。

4.4 有限元計(jì)算結(jié)果

4.4.1 撓度

計(jì)算結(jié)束后，結(jié)構(gòu)的豎向撓度(圖11)。

圖11 結(jié)構(gòu)撓度的有限元分析結(jié)果云圖

由圖11看出，結(jié)構(gòu)在中央受豎向荷載作用之后，撓度呈對(duì)稱分布。其中中央撓度最大，達(dá)到19 cm。

有限元分析和試驗(yàn)實(shí)測(cè)的荷載撓度曲線對(duì)比(圖12)。

圖12 荷載撓度對(duì)比曲線

通過(guò)對(duì)比可以看出有限元計(jì)算的荷載撓度曲線與試驗(yàn)實(shí)測(cè)的荷載撓度曲線在混凝土進(jìn)入塑性之前擬合較好。在加載初期，計(jì)算值與試驗(yàn)值基本相同，在混凝土開裂以后，計(jì)算值與試驗(yàn)值開始有差異，相同荷載作用下，ANSYS計(jì)算的撓度值小于實(shí)測(cè)值；到加載末期接近破壞時(shí)，二者之間的差異明顯加大，撓度計(jì)算值小于實(shí)測(cè)值。

造成這種差異的原因，可能是因?yàn)槔肁NSYS進(jìn)行有限元模擬分析的模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)存在一定的差異，而且混凝土是一種非均質(zhì)材料，其材料參數(shù)不易把握，如開裂、閉合時(shí)的剪力傳遞系數(shù)等，這使得混凝土的受力模擬，特別是開裂后模擬非常困難，另外試驗(yàn)結(jié)果也受到試驗(yàn)條件本身的影響，本試驗(yàn)在試驗(yàn)過(guò)程中為了使支座處保持水平，梁與支座間墊有細(xì)砂，因此試驗(yàn)測(cè)得的撓度也受此影響而有偏差。

4.4.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

ANSYS計(jì)算結(jié)束后，結(jié)構(gòu)MISES應(yīng)力云圖(圖13)。

由圖中可以看出，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力基本呈對(duì)稱分布，最大應(yīng)力在中央拼縫處上端，為50 MPa左右，已超過(guò)C40混凝土的抗壓強(qiáng)度，但仍遠(yuǎn)小于預(yù)應(yīng)力筋的屈服強(qiáng)度。由此可見，結(jié)構(gòu)的破壞為接頭處上部混凝土壓碎，預(yù)應(yīng)力筋未遭破壞。

4.4.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)變

在ANSYS中通過(guò)后處理查看結(jié)構(gòu)延X、Y、Z三個(gè)方向的應(yīng)變(圖14～圖16)。

圖14 結(jié)構(gòu)X方向應(yīng)變?cè)茍D

圖15 結(jié)構(gòu)Y方向應(yīng)變?cè)茍D

圖16 結(jié)構(gòu)Z方向應(yīng)變?cè)茍D

由上述圖示可知，結(jié)構(gòu)X方向應(yīng)變的最大值為-0.003，Y方向應(yīng)變的最大值為-0.003 7，Z方向(即軸向)的應(yīng)變最大，達(dá)-0.004 8，發(fā)生在結(jié)構(gòu)中央接縫處的上端。由于應(yīng)變是受壓為負(fù)，且最大應(yīng)變-0.004 8已超過(guò)C40混凝土的受壓極限應(yīng)變，所以由應(yīng)變?cè)茍D，亦可得知結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)為混凝土受壓破壞。

5 結(jié)論

(1)力學(xué)試驗(yàn)和非線性有限元分析結(jié)果大致相符，預(yù)制拼裝綜合管溝接頭結(jié)構(gòu)的極限承載能力為500 kN左右，滿足實(shí)際工程需求。

(2)結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)為拼縫處上部混凝土受壓破壞，預(yù)應(yīng)力筋處于彈性狀態(tài)，其承載能力未被充分利用。

(3)結(jié)構(gòu)破壞時(shí)變形較大，對(duì)接頭處的防滲性能會(huì)有不 利影響，在設(shè)計(jì)中需要予以考慮，采取一定的防滲措施。

[1] GB 50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50009-2011 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4] 薛偉辰，胡翔，王恒棟. 綜合管溝的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J]. 特種結(jié)構(gòu)，2005 (3).

[5] 金晶，彭博. 預(yù)制綜合管溝拼裝施工技術(shù)[J]. 城市道橋與防洪，2007(2).

[6] 劉正其，錢鵬志. 城市綜合管溝的優(yōu)缺點(diǎn)及國(guó)內(nèi)建設(shè)現(xiàn)狀分析[J]. 科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009(4).

[7] 王新敏. ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M]. 北京：人民交通出版社，2007.

郭俊瓊(1986～)，女，碩士研究生，工程師，主要從事房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究。

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[定稿日期]2016-05-05