錢(qián)文斐,李忻軼,姜 炯
[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092]
目前,對(duì)于橋梁[1]、綜合管廊[2]、沉管隧道[3]、矩形盾構(gòu)隧道[4]等正交條件下的矩形箱型結(jié)構(gòu)已開(kāi)展了大量的預(yù)制拼裝工藝研究并付諸于工程實(shí)踐中。本文以上海S7 公路一期工程為例,針對(duì)斜交條件下預(yù)制拼裝地道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究,以期為矩形箱型結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝工藝的進(jìn)一步拓展提供借鑒。
上海S7 公路一期工程為上海市預(yù)制拼裝示范工程,預(yù)制拼裝化率超過(guò)95%。其中聯(lián)楊路下穿G1501,共有 2 處地道,分別為 NE 匝道、SE 匝道。
工程所處地形較為平坦,場(chǎng)區(qū)淺層存在軟土、厚填土、明浜等不良地基地質(zhì)現(xiàn)象,對(duì)設(shè)計(jì)施工存在一定影響。自上而下主要巖土層分布情況如下:①1層填土、②層黃- 灰黃色黏土、③層灰色淤泥質(zhì)黏土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1層灰色黏土、⑥層暗綠-黃色粉質(zhì)黏土。場(chǎng)地內(nèi)地下水類型有潛水及承壓水,地下水位隨氣候、季節(jié)及環(huán)境影響而變化??辈炱陂g,地下水位埋深為0.58~3.10 m,高程為4.25~0.06 m,承壓水對(duì)本工程無(wú)影響。
本文擬以NE 匝道為例,對(duì)斜交條件下預(yù)制拼裝地道結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析研究。NE 匝道地道斜交角度為67°,垂直于軸線方向的結(jié)構(gòu)寬度為16.0 m,其中結(jié)構(gòu)凈空寬度為14.6 m,側(cè)墻厚度為0.7 m;結(jié)構(gòu)高度為6.25 m,其中結(jié)構(gòu)凈空高度為4.85 m,頂、底板厚度均為0.7 m。
NE 匝道地道平面面、橫斷面、剖面見(jiàn)圖1~圖3。
圖1 NE 匝道地道平面圖(單位:mm)
圖2 NE 匝道地道橫斷面(單位:mm)
為了便于預(yù)制節(jié)段制作、運(yùn)輸,吊裝,地道結(jié)構(gòu)軸向與斜邊平行分為2 塊,橫斷面分為上下2 塊“C”型結(jié)構(gòu),共形成4 個(gè)單元,單個(gè)單元的尺寸為17.382 m×5.112 m×3.125 m,質(zhì)量約 213.3 t。
圖3 NE 匝道地道剖面(單位:mm)
對(duì)于縱向接縫,采用垂直于斜邊的預(yù)應(yīng)力鋼筋形式;對(duì)于環(huán)向接縫,采用凸凹榫形式,與通常環(huán)向接頭形式的不同之處在于其未設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋;縱、環(huán)向接縫間均勻涂抹環(huán)氧拼縫膠。
縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋接頭大樣圖見(jiàn)圖4,環(huán)向凸凹榫接頭大樣圖見(jiàn)圖5。
圖4 縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋接頭大樣圖(單位:mm)
圖5 環(huán)向凸凹榫接頭大樣圖(單位:mm)
對(duì)于預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu),需進(jìn)行吊裝、運(yùn)輸及運(yùn)營(yíng)3種工況下的受力分析??紤]到吊裝、運(yùn)輸工況下受力分析相對(duì)簡(jiǎn)單,本次重點(diǎn)研究運(yùn)營(yíng)工況。采用三維實(shí)體單元模擬結(jié)構(gòu),針對(duì)環(huán)縫設(shè)置凸凹榫接頭的預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)體系(以下簡(jiǎn)稱“體系一”)與封閉框架的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)體系(以下簡(jiǎn)稱“體系二”)2 種結(jié)構(gòu)體系受力性能進(jìn)行對(duì)比分析。
結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件采用Midas/Civil, 主體結(jié)構(gòu)采用六面體實(shí)體單元(見(jiàn)圖6),凸凹榫界面采用僅受壓彈簧模擬,底板邊界條件采用彈簧模擬,基床系數(shù)為20 000 kN/m3。
圖6 三維實(shí)體單元計(jì)算分析模型
荷載基本組合條件下,荷載值分布情況見(jiàn)圖7。
圖7 荷載基本組合示意圖
基于結(jié)構(gòu)安全考慮,地道結(jié)構(gòu)的頂、底板及側(cè)墻均按受彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算出彎矩值即可進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。根據(jù)軟件后處理成果輸出方式及參照現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)條文說(shuō)明4.2.4,需將三維實(shí)體單元輸出的正跨方向應(yīng)力值轉(zhuǎn)換為頂、底板斜跨方向彎矩值及側(cè)墻正跨方向彎矩值。具體思路如下:
首先,根據(jù)式(1)算出側(cè)墻正跨方向的彎矩值;然后,根據(jù)式(2)計(jì)算頂、底板斜跨跨中方向彎矩值;最后,根據(jù)式(3)計(jì)算頂、底板斜跨支座處彎矩值。
式中:M 為正跨方向彎矩值;W 為截面抗彎模量;σ+(-)為截面正跨方向最大正(負(fù))應(yīng)力值。
式中:M鉸正為頂、底板構(gòu)件在鉸接支撐邊界條件下計(jì)算跨度為15.3 m(正跨方向)的跨中彎矩值;M鉸斜為頂、底板構(gòu)件在鉸接支撐邊界條件下計(jì)算跨度為15.3/sin 67° m(斜跨方向)的跨中彎矩值。
式中:M固正為頂、底板構(gòu)件在固定支撐邊界條件下計(jì)算跨度為15.3 m(正跨方向)的支座處彎矩值;M固斜為頂、底板構(gòu)件在固定支撐邊界條件下計(jì)算跨度為15.3/sin 67° m(斜跨方向)的支座處彎矩值。
體系一的頂板頂、底面正跨方向應(yīng)力分布見(jiàn)圖8、圖9。
圖8 頂板頂正跨方向應(yīng)力云紋圖
圖9 頂板底正跨方向應(yīng)力云紋圖
體系二的頂板頂、底面正跨方向應(yīng)力分布見(jiàn)圖10、圖11。
圖10 頂板頂正跨方向應(yīng)力云紋圖
圖11 頂板底正跨方向應(yīng)力云紋圖
頂板頂、底關(guān)鍵位置的應(yīng)力差值見(jiàn)表1。
表1 頂板頂、底正跨方向應(yīng)力差值一覽表
由圖8~圖11 和表1 可知:2 種體系下,頂板頂、底正跨方向應(yīng)力分布形態(tài)相近,且應(yīng)力差值相差不大,即彎矩值相差不大,2 種體系下的差值范圍為3%~10%。
體系一的底板頂、底面正跨方向的應(yīng)力分布見(jiàn)圖12、圖13。
圖12 底板頂正跨方向應(yīng)力云紋圖
體系二的底板頂、底面正跨方向應(yīng)力分布見(jiàn)圖14、圖15。
圖13 底板底正跨方向應(yīng)力云紋圖
圖14 底板頂正跨方向應(yīng)力云紋圖
圖15 底板底正跨方向應(yīng)力云紋圖
2 種體系下,底板頂、底關(guān)鍵位置應(yīng)力差值見(jiàn)表2。
由圖12~ 圖15 和表2 可知:2 種體系下,底板頂、底正跨方向應(yīng)力分布形態(tài)相近,且應(yīng)力差值相差不大,即彎矩值相差不大,2 種體系下的差值范圍為5%~13%。
表2 底板頂、底正跨方向應(yīng)力差值一覽表
體系一的側(cè)墻臨、背土側(cè)正跨方向應(yīng)力分布見(jiàn)圖16、圖17。
圖16 側(cè)墻臨土側(cè)正跨方向應(yīng)力云紋圖
圖17 側(cè)墻背土側(cè)正跨方向應(yīng)力云紋圖
體系二的側(cè)墻臨、背土側(cè)正跨方向應(yīng)力分布見(jiàn)圖18、圖19。
圖18 側(cè)墻臨土側(cè)正跨方向應(yīng)力云紋圖
圖19 側(cè)墻背土側(cè)正跨方向應(yīng)力云紋圖
2 種體系下,側(cè)墻迎土側(cè)、背土側(cè)關(guān)鍵位置應(yīng)力差值見(jiàn)表3,點(diǎn)1~點(diǎn)8 的具體位置見(jiàn)圖3。
由圖16~圖19 和表3 可知:2 種體系下,側(cè)墻臨土側(cè)、背土側(cè)正跨方向應(yīng)力分布有一定的差別,側(cè)墻與頂、底板交接處點(diǎn)1~ 點(diǎn)4 的應(yīng)力差值(即彎矩值)相差范圍為3%~11%,在凸凹榫位置附近點(diǎn)5~ 點(diǎn)8的應(yīng)力差值(即彎矩值)相差范圍為7%~22%。
體系一凸凹榫處最大主應(yīng)力絕對(duì)值(見(jiàn)圖20)在臨土側(cè)基本為拉應(yīng)力,其分布范圍約占1/4, 最大值為-6 331.6 kPa;而在背土側(cè)基本為壓應(yīng)力,其分布范圍約占3/4,最大值為12 481.1 kPa。
圖20 凸凹榫處最大主應(yīng)力絕對(duì)值云紋圖
體系二相同位置處最大主應(yīng)力絕對(duì)值(見(jiàn)圖21)在臨土側(cè)基本為拉應(yīng)力,其分布范圍約占1/2, 最大值為-5 885.8 kPa;而在背土側(cè)基本為壓應(yīng)力,其分布范圍約占1/2,最大值為3 215.1 kPa。
圖21 相同位置封閉框架體系最大主應(yīng)力絕對(duì)值云紋圖
表3 側(cè)墻迎、背土側(cè)正跨方向應(yīng)力差值一覽表
綜上可知:(1)2 種體系相同位置臨土側(cè)結(jié)構(gòu)單元最大主應(yīng)力均呈現(xiàn)拉應(yīng)力,而背土側(cè)結(jié)構(gòu)單元均呈現(xiàn)壓應(yīng)力,從而產(chǎn)生彎矩作用;(2)凸凹榫與封閉框架體系相同位置臨土側(cè)拉應(yīng)力比值為1.08,背土側(cè)壓應(yīng)力比值為3.88。
進(jìn)一步研究體系一凸凹榫接縫處的張開(kāi)值。
凸凹榫接縫處節(jié)點(diǎn)位移見(jiàn)圖22 和表4。
圖22 凸凹榫處位移
表4 凸凹榫處節(jié)點(diǎn)位移一覽表 mm
通過(guò)以上計(jì)算分析得出:結(jié)構(gòu)側(cè)墻凸凹榫處發(fā)生了向臨土側(cè)的位移,接縫處最大張開(kāi)值為0.44 mm(節(jié)點(diǎn)195762 與節(jié)點(diǎn)55777 在 Z 方向上的位移 DZ之差值,即 -15.311 -(-15.751)=0.44),接縫處張開(kāi)值與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果基本一致。
(1)對(duì)于斜交條件下預(yù)制拼裝地道縱縫采用凸凹榫接頭的結(jié)構(gòu)體系,頂板、底板、邊墻(除凸凹榫位置外)關(guān)鍵位置處的彎矩值與封閉框架體系下的差別不大,差值基本在13%以內(nèi)。
(2)工程設(shè)計(jì)通常假定凸凹榫處采用鉸接邊界條件模擬,這樣計(jì)算的結(jié)果為凸凹榫處不承受彎矩,且水平向位移值較大。而本次研究成果為凸凹榫處由于拉、壓應(yīng)力可以產(chǎn)生彎矩,且水平位移值僅為鉸接條件下的40%(按鉸接計(jì)算,水平位移值為18.2 mm)。這說(shuō)明對(duì)于凸凹榫接縫采用鉸接進(jìn)行模擬存在不合理之處。
(3)為了方便工程設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析,體系一的受力計(jì)算模型可考慮利用體系二的等效計(jì)算模型,但需將凸凹榫位置處彎曲值進(jìn)行適當(dāng)提高,為安全起見(jiàn),可考慮提高20%~30%。
(4)本研究成果已運(yùn)用于上海S7 公路一期工程中,并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。整個(gè)工程已于2019 年10 月18 日全線通車。本研究成果可以為類似工程提供參考與借鑒。