周玉生

(中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230023)

1 研究背景

預(yù)制裝配式綜合管廊是一種鋼筋混凝土箱型構(gòu)筑物，具有可在工廠或者施工現(xiàn)場預(yù)制加工、現(xiàn)場安裝的特點(diǎn),具備較好的環(huán)保效益和社會效益。由于處于地下環(huán)境并受地下水侵蝕，接頭防水問題成為推廣應(yīng)用預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊亟待解決的關(guān)鍵問題。目前，現(xiàn)澆整體式綜合管廊普遍采用埋入帶鋼邊橡膠止水帶的方法解決結(jié)構(gòu)變形縫的防水問題。該方法要求綜合管廊主體結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場澆筑，并將帶鋼邊橡膠止水帶埋入其中形成防水體系，因此難以應(yīng)用于預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊接頭的防水處理。

針對地下預(yù)制結(jié)構(gòu)接頭的防水問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了一定的研究工作，主要包括防水用橡膠材料物理力學(xué)性能的試驗(yàn)與理論分析，地下隧道預(yù)制襯砌接頭防水性能的初步理論分析與探索性試驗(yàn)等。上述研究工作提出了彈性密封墊的材料物理參數(shù)指標(biāo)和初步的接頭防水設(shè)計(jì)建議，但總體而言仍處于起步階段，且主要針對地下隧道預(yù)制襯砌結(jié)構(gòu)。而在預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊的接頭防水性能研究方面，從系統(tǒng)查閱的文獻(xiàn)資料看，國內(nèi)外尚未開展這方面的研究工作。

本試驗(yàn)針對遇水膨脹橡膠密封墊界面彈性密封墊的本構(gòu)關(guān)系和極限抗壓能力進(jìn)行試驗(yàn)，并通過有限元軟件模擬分析橡膠密封墊受力性能，將有助于綜合管廊接頭防水設(shè)計(jì)與施工，同時也有利于遇水膨脹橡膠的進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用，通過試驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到以下目的：①研究遇水膨脹橡膠密封墊的靜力性能；②為綜合管廊接頭防水設(shè)計(jì)與施工提供參考；③為遇水膨脹橡膠密封墊的數(shù)值研究提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 工程概況

敞口式U型盾構(gòu)施工全預(yù)制地下綜合管廊是一種適合預(yù)制管廊施工的新型工法，試驗(yàn)段位于?？谑幸４蟮繩09+397～K09+890段，其中標(biāo)準(zhǔn)段長308 m，非標(biāo)準(zhǔn)段節(jié)點(diǎn)共3處，共長185 m。

試驗(yàn)段位于椰海大道中央綠化帶下，覆土厚度3.5 m。管廊為雙倉斷面,寬為8.2 m，高為4.95 m，內(nèi)含給水、電力、通信等管線，如圖1所示。預(yù)制管節(jié)采用上下分割方案，豎向、縱向分別采用預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼進(jìn)行連接，如圖2所示。

圖1 管廊橫斷面圖

圖2 豎向分割示意圖

3 試驗(yàn)概況

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)與制作

本試驗(yàn)采用的試件為2個帶凹槽的混凝土長方體試塊，如圖3所示。遇水膨脹橡膠條的物理學(xué)性能參數(shù)見表1，其示意圖及實(shí)物照片如圖4所示。

圖3 試件模型示意圖(單位：mm)

表1 遇水膨脹橡膠條物理力學(xué)性能

圖4 遇水膨脹橡膠條(單位：mm)

3.2 加載與測試內(nèi)容

本次試驗(yàn)需要對遇水膨脹橡膠條施加平面外的均布荷載。對遇水膨脹橡膠條施加均布荷載的方式為通過計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)加載頭向圓形墊片施加位移荷載，再通過圓形墊片向加載的混凝土塊傳遞一定范圍的均布荷載并帶動混凝土塊向下移動擠壓遇水膨脹橡膠條，從而達(dá)到使遇水膨脹橡膠條均勻受力的目的。對每一塊試件均加載2次，考慮到試驗(yàn)機(jī)的量程和精度問題，故將加載的位移控制在7 mm以內(nèi)。

試驗(yàn)的測試內(nèi)容主要包括：①遇水膨脹橡膠條豎直方向的壓力值；②遇水膨脹橡膠條豎直方向的位移值。試驗(yàn)加載裝置(最大量程是20 kN)如圖5所示。

4 試驗(yàn)過程與現(xiàn)象

4.1 試驗(yàn)過程

4.1.1 單調(diào)加載過程

第一次加載按照1 mm/min的速率施加位移荷載，在達(dá)到試驗(yàn)機(jī)最大加載位移7 mm的過程中，遇水膨脹橡膠條的變形明顯，之后按照5 mm/min的速率卸載，完全卸載后遇水膨脹橡膠條無明顯殘余變形。第二次按照同樣的速率施加和卸除位移荷載。四邊有約束試塊橡膠條的加載前后的變形如圖6所示。

圖6 遇水膨脹橡膠條加載前后變形圖

4.1.2 極限加載過程

試件1在經(jīng)過單調(diào)加載過程后，無明顯的變形，這表明遇水膨脹橡膠條未發(fā)生明顯破壞，故將遇水膨脹橡膠條放在微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)(最大量程300 kN)上進(jìn)行加載破壞試驗(yàn)。按照5 kN/min的速率施加力荷載，直至達(dá)到50 kN時停止加載，將極限加載后的遇水膨脹橡膠條再次進(jìn)行單調(diào)加載，對比觀察橡膠條的壓力-位移曲線。圖7為極限加載過程的現(xiàn)場照片。

圖7 極限加載過程

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 單調(diào)加載壓力-位移試驗(yàn)曲線

由4.1加載過程可知，在豎向施加位移荷載過程中遇水膨脹橡膠均勻變形，這表明在縱向四角點(diǎn)預(yù)應(yīng)力作用下遇水膨脹橡膠條在整個周長范圍內(nèi)均勻受力，因此單位面積遇水膨脹橡膠條受到的應(yīng)力可按公式(1)計(jì)算:

(1)

式中：N為頂面受到的壓力；A為頂面的面積。當(dāng)達(dá)到最大荷載20 kN時，應(yīng)力為3.6 MPa。

試驗(yàn)過程中遇水膨脹橡膠條的壓力-位移曲線如圖8所示。

圖8 遇水膨脹橡膠條壓力-位移曲線

圖8中,試件1-1表示兩邊約束試件第一次加載，變形穩(wěn)定之后的實(shí)際位移為6.73 mm；試件1-2表示兩邊約束試件第二次加載，變形穩(wěn)定之后的實(shí)際位移為5.8 mm；試件2-1表示四邊約束試件第一次加載，變形穩(wěn)定之后的實(shí)際位移為6.75 mm;試件2-2表示四邊約束試件第二次加載，變形穩(wěn)定之后的實(shí)際位移為5.56 mm。直線表示表面應(yīng)力達(dá)到1.5 MPa時對應(yīng)的壓力，圖中的交點(diǎn)坐標(biāo)表示了當(dāng)應(yīng)力達(dá)到1.5 MPa時對應(yīng)的位移。

由圖8可知，試件1-1、1-2、2-1和2-2的表面應(yīng)力達(dá)到1.5 MPa時，其位移荷載分別為5.57 mm、4.71 mm、5.47 mm和4.47 mm。可以看出，相同加載力作用下，第二次加載達(dá)到的最大位移值比第一次加載達(dá)到的最大位移值小。這可能是由于，與第一次加載初始條件相比，第二次加載時橡膠條以及橡膠條與混凝土試塊接觸更為緊密，故橡膠條受到的力荷載更早達(dá)到試驗(yàn)機(jī)的最大量程，但差異不大。

4.2.2 極限抗壓后壓力-位移試驗(yàn)曲線

極限抗壓后的壓力-位移試驗(yàn)曲線如圖9所示。

通過圖9對比極限加載后的曲線和試件1-1、試件1-2曲線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)極限荷載達(dá)到50 kN時，即極限加載使截面壓應(yīng)力為9 MPa時，遇水膨脹橡膠條仍能保持良好的受力性能，這表明遇水膨脹橡膠條的最大極限破壞荷載大于50 kN，滿足綜合管廊中接頭防水的受力需求。

4.3 密封墊壓力-位移關(guān)系曲線擬合

試驗(yàn)擬合曲線的計(jì)算公式如下：

N=0.45Δ2-0.93Δ+0.61

(2)

N=0.76Δ2-1.71Δ+1.28

(3)

N=0.56Δ2-1.47Δ+1.04

(4)

N=0.81Δ2-1.65Δ+1.23

(5)

試驗(yàn)曲線與擬合曲線的對比圖,如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)，兩者較為接近，表明擬合情況良好。

圖10 試驗(yàn)曲線與擬合曲線的對比圖

5 數(shù)值模擬

5.1 數(shù)值模型

5.1.1 單元類型與網(wǎng)格劃分

采用大型有限元軟件ANSYS對模型試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮兩邊約束試件第一次單調(diào)加載過程，數(shù)值模型中，遇水膨脹橡膠條采用SOLID185單元模擬，將混凝土試塊對遇水膨脹橡膠條的約束簡化為模型底面約束和兩側(cè)線條的約束，在模型頂面施加5 mm的均勻位移荷載，試驗(yàn)數(shù)值模型如圖11所示。

圖11 遇水膨脹橡膠條有限元模型

5.1.2 材料模型

本次模擬采用的是雙參數(shù)Mooney-Rivlin超彈模型，超彈性是指可以經(jīng)歷可恢復(fù)的大彈性應(yīng)變的材料，而且，超彈性材料通常具有非常小的可壓縮性，這通常被稱為不可壓縮性。不可壓縮的橡膠材料模型幾乎與雙參數(shù)現(xiàn)有的ANSYS Mooney-Rivlin模型相同，在30%～200應(yīng)變范圍內(nèi)，模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性都很好。通過輸入C10，C01，υ來定義應(yīng)變能量函數(shù)[5]：

(6)

(7)

(8)

5.1.3 邊界與荷載條件

模型的邊界與荷載條件如圖12所示。

圖12 數(shù)值模型及其邊界與荷載

5.2 5 mm位移荷載施加后結(jié)果

對模型施加5 mm位移荷載后結(jié)構(gòu)y向(垂直于橡膠條方向)位移、應(yīng)力模擬結(jié)果如圖13所示。

圖13 數(shù)值分析結(jié)果

由圖13a可知，遇水膨脹橡膠條中間部分位移較均勻，橡膠條變形受約束作用向外擴(kuò)散。由圖13b可知，遇水膨脹橡膠條中間部分的壓應(yīng)力在2.04～3.26 MPa，試驗(yàn)中試件1-2加載到5 mm時對應(yīng)的壓力是10.678 kN，按照公式(1)計(jì)算得到的應(yīng)力為1.8 MPa，兩者的誤差不大，考慮數(shù)值模擬采用的橡膠彈模與實(shí)際彈模的誤差以及邊界條件對結(jié)果有所影響。

試件1-1，試件1-2在y方向的荷載-位移曲線與試驗(yàn)曲線對比如圖14所示。

圖14 y方向荷載-位移曲線與試驗(yàn)曲線對比

由圖14可知，數(shù)值模擬的荷載-位移曲線與試件1-1、2-1的荷載-位移曲線較為接近，與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明了數(shù)值模型的正確性。

6 結(jié) 論

本試驗(yàn)以敞口式U型盾構(gòu)施工全預(yù)制地下綜合管廊為背景，通過足尺模型試驗(yàn)，對綜合管廊接頭的遇水膨脹橡膠條的受力性能進(jìn)行了研究，主要研究結(jié)論如下：

(1)在外力面荷載的作用下，接頭拼縫處的遇水膨脹橡膠條處于均勻受壓狀態(tài)，其界面應(yīng)力可按公式(1)計(jì)算。

(2)遇水膨脹橡膠條具有較為明顯的非線性變形特性，其壓力-變形關(guān)系可用公式(2)(3)(4)(5)所示的二次多項(xiàng)式表示。

(3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，試件1-1、1-2、2-1和2-2的表面應(yīng)力達(dá)到1.5 MPa時，其位移荷載分別為5.57 mm、4.71 mm、5.47 mm和4.47 mm。

(4)重新單調(diào)加載得到的壓力-位移曲線表明：當(dāng)荷載達(dá)到50 kN時，即加載使截面壓應(yīng)力為9 MPa時，卸載后，遇水膨脹橡膠條仍具有良好的受力性能。

(5)有限元模擬的位移結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果符合較好，對比結(jié)果表明了有限元模型的正確性。