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        新型預(yù)制地下連續(xù)墻接頭力學(xué)與抗?jié)B性能研究*

        2021-06-29 03:34:20李棟偉張潮潮劉小敏侯劉鎖
        施工技術(shù)(中英文) 2021年9期
        關(guān)鍵詞:抗?jié)B撓度裝配式

        銀 霞,袁 昌,李棟偉,張潮潮,劉小敏,侯劉鎖

        (1.深圳市勘察研究院有限公司,廣東 深圳 518026; 2.東華理工大學(xué),江西 南昌 330013)

        0 引言

        近年來,裝配式結(jié)構(gòu)得到大力發(fā)展,其在基坑工程中的應(yīng)用越來越多。目前,對裝配式結(jié)構(gòu)在基坑工程中的應(yīng)用研究較少,設(shè)計方法、施工技術(shù)等仍不成熟,存在廣闊研究空間。裝配式基坑工程中,圍護結(jié)構(gòu)一般采用預(yù)制墻板,墻板通過接頭連接,接頭易發(fā)生破壞和滲漏等,且形式復(fù)雜,增加了施工難度與成本。為此,設(shè)計新型預(yù)制地下連續(xù)墻接頭,并對接頭力學(xué)與抗?jié)B性能進行研究。

        1 力學(xué)性能試驗

        1.1 試驗概況

        為研究新型預(yù)制地下連續(xù)墻接頭力學(xué)性能,開展接頭板沖切試驗。

        1)試驗材料

        制作2塊截面尺寸、材料相同的接頭板(編號為1,2),每塊板均由混凝土、凹凸接頭及外覆3mm厚鋼板組成,接頭板截面尺寸如圖1所示,接頭形式與尺寸如圖2所示。

        圖1 接頭板示意

        圖2 接頭示意

        2)試驗方案

        試驗平臺作動器可提供的最大液壓值為10t,試驗裝置如圖3所示。作動器利用頂部鋼梁向接頭施加壓力,接頭板兩端放置在鋼樁上,接頭板與作動器、鋼樁接觸點為鉸接點,根據(jù)接頭板尺寸調(diào)整支座間距,采用“三點彎曲”加載方式。荷載以1kN為增量,由1kN遞增至10kN。上級荷載施加結(jié)束且應(yīng)變及位移傳感器示數(shù)穩(wěn)定后,施加下級荷載,直至接頭發(fā)生開裂破壞或達到作動器最大液壓值,停止加載,試驗結(jié)束。通過粘貼應(yīng)變片和位移傳感器監(jiān)測接頭板在加載過程中的應(yīng)變和撓度,將應(yīng)變片布置在接頭板單側(cè)面及下表面,位移傳感器布置在接頭板下表面,如圖4所示。

        圖3 試驗裝置

        圖4 應(yīng)變片和位移傳感器布置

        1.2 試驗結(jié)果與分析

        1.2.1接頭板變形

        1號接頭板加載初期撓度增長較快,當(dāng)加載至破壞荷載(9kN)的10%時,凸接頭底部出現(xiàn)細(xì)微裂縫,此時接頭板中心部位撓度為7mm;隨著荷載的增加,裂縫增多并向接頭板中心部位延伸,當(dāng)加載至7kN時,接頭裂縫大量擴展,接頭板中心部位撓度達25mm;繼續(xù)加載,接頭板撓度急劇增大,接頭破壞,接頭底面混凝土裂縫寬度最大達1.5mm,接頭變形明顯,凸接頭下部豎向鋼板與混凝土脫離,接頭板中心部位撓度達最大值27.5mm。1號接頭板接頭破壞形態(tài)如圖5所示。

        圖5 1號接頭板接頭破壞形態(tài)

        2號接頭板加載初期撓度增長較快,當(dāng)加載至破壞荷載(7kN)的10.1%,凸接頭底部出現(xiàn)細(xì)微裂縫,此時接頭板中心部位撓度為7.5mm;隨著荷載的增加,裂縫增多并向接頭板中心部位延伸,當(dāng)加載至6.3kN時,接頭裂縫大量擴展,接頭板中心部位撓度達23mm;繼續(xù)加載,接頭板撓度急劇增大,接頭破壞,接頭底面混凝土裂縫寬度最大達3mm,形成上下貫穿裂縫,接頭變形明顯,凸接頭下部豎向鋼板與混凝土脫離,接頭板中心部位撓度達最大值27.5mm。2號接頭板接頭破壞形態(tài)如圖6所示。

        圖6 2號接頭板接頭破壞形態(tài)

        1,2號接頭板荷載-位移曲線如圖7所示,由圖7可知,1,2號接頭板荷載、位移大致呈線性關(guān)系,荷載-位移曲線變化趨勢基本一致。

        圖7 接頭板荷載-位移曲線

        1.2.2混凝土應(yīng)變

        隨著荷載的增加,1號接頭板1~5號應(yīng)變片應(yīng)變增速先快后慢;荷載增至7kN時,應(yīng)變曲線均出現(xiàn)明顯拐點,說明此時混凝土已達極限壓應(yīng)變;隨著荷載的繼續(xù)增加,混凝土應(yīng)變逐漸減小,當(dāng)荷載達9kN時接頭板破壞。

        隨著荷載的增加,1號接頭板7~10號應(yīng)變片應(yīng)變增速先快后慢;荷載增至7kN時,應(yīng)變曲線均出現(xiàn)明顯拐點,說明此時混凝土已達極限壓應(yīng)變;7,8號應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)樨?fù)值,9,10號應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)檎?,說明接頭板頂部混凝土受壓,底部混凝土受拉。

        隨著荷載的增加,2號接頭板1~5號應(yīng)變片應(yīng)變增速先快后慢;荷載增至6.3kN時,應(yīng)變曲線均出現(xiàn)明顯拐點,說明此時混凝土已達極限壓應(yīng)變;隨著荷載的繼續(xù)增加,混凝土應(yīng)變逐漸減小,當(dāng)荷載達7kN時接頭板破壞。

        隨著荷載的增加,2號接頭板7~10號應(yīng)變片應(yīng)變增速先快后慢;荷載增至6.3kN時,應(yīng)變曲線均出現(xiàn)明顯拐點,說明此時混凝土已達極限壓應(yīng)變;7,8號應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)樨?fù)值,9,10號應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)檎担f明接頭板頂部混凝土受壓,底部混凝土受拉。

        1.2.3接頭板破壞特征

        1,2號接頭板極限承載力分別為9,7kN,均發(fā)生接頭破壞,破壞階段如下。

        1)第Ⅰ階段 開始加載至接頭板側(cè)面出現(xiàn)裂縫,此時接頭板荷載、位移大致呈線性關(guān)系,處于線彈性工作狀態(tài)。

        2)第Ⅱ階段 隨著荷載的增加,裂縫增多并向接頭板中心部位延伸,加載至一定值后,接頭裂縫大量出現(xiàn)并延伸開展,接頭板撓度隨荷載的增加而增大,接頭破壞,且形成上下貫穿裂縫,接頭變形明顯,凸接頭下部豎向鋼板與混凝土脫離,接頭板中心部位撓度達最大值。

        2 有限元分析

        2.1 模型建立

        采用Solid70三維實體單元建立1,2號接頭板有限元模型,如圖8所示,模型材料、尺寸及邊界條件與試件一致。

        圖8 有限元模型

        2.2 計算結(jié)果與分析

        試驗得到1,2號接頭板極限承載力分別為9,7kN,因此選取7,9kN作為外荷載計算接頭板受力與變形,結(jié)果如圖9,10所示。由圖9可知,7kN荷載作用下,左、右板最大應(yīng)力分別為12.8,13.5MPa,左、右板最大撓度均為10.08mm。由圖10可知,9kN荷載作用下,左、右板最大應(yīng)力分別為16.5,17.5MPa,左、右板最大撓度均為12.871mm。

        圖9 7kN荷載作用下接頭板受力與變形

        圖10 9kN荷載作用下接頭板受力與變形

        有限元模型為理想模型,凹凸接頭緊密貼合,且設(shè)置水平約束,因此接頭不發(fā)生滑移脫落,且受力均勻,不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。而試驗中凹凸接頭貼合不緊密,存在水平滑移及應(yīng)力集中現(xiàn)象,導(dǎo)致試驗得到的接頭板撓度較大。實際工程中,應(yīng)提高接頭強度,特別是受拉側(cè)接頭強度,且應(yīng)加強橫向連接,并在地下連續(xù)墻兩端設(shè)置水平約束,防止墻體發(fā)生水平滑移。

        3 抗?jié)B性能試驗

        3.1 試驗概況

        地下連續(xù)墻除需滿足強度要求外,還需具有一定抗?jié)B能力。為了解新型預(yù)制地下連續(xù)墻接頭抗?jié)B性能,根據(jù)接頭形狀,自行設(shè)計試驗裝置(見圖11),開展接頭抗?jié)B性能試驗。在接頭豎向接縫上粘貼3道遇水膨脹止水條,如圖12所示。試驗過程中在試驗槽、接頭表面涂抹密封油,并在試驗槽內(nèi)及混凝土上表面墊橡膠密封圈,以保證試驗結(jié)果準(zhǔn)確。

        圖11 抗?jié)B性能試驗裝置

        圖12 接頭板抗?jié)B處理

        將接頭出現(xiàn)滲水時的水壓力作為判斷抗?jié)B等級的依據(jù),通過壓力泵向水箱內(nèi)分別施加10,50,100,150,200,300,400,600,800,1 000kPa水壓力,分別對應(yīng)1,5,10,15,20,30,40,60,80,100m水頭,每個水壓力等級持續(xù)2h后,如果接頭處未滲水,則可判斷接頭板抗?jié)B性能良好。接頭出現(xiàn)滲水時結(jié)束試驗,記錄水壓力數(shù)據(jù)。

        3.2 試驗結(jié)果與分析

        接頭在300kPa水壓力作用下出現(xiàn)滲水,表明接頭板可抵御30m水頭,可知新型預(yù)制地下連續(xù)墻接頭通過防滲處理可滿足常規(guī)裝配式基坑工程施工要求。實際工程中,可通過采取壓緊止水條、在接頭部位涂抹止水膠等措施,提高新型預(yù)制地下連續(xù)墻接頭抗?jié)B性能。

        4 結(jié)語

        為解決裝配式基坑預(yù)制墻板接頭常見質(zhì)量問題,設(shè)計新型預(yù)制地下連續(xù)墻接頭。通過試驗與有限元分析,研究新型預(yù)制地下連續(xù)墻接頭力學(xué)與抗?jié)B性能,根據(jù)研究結(jié)果提出提高接頭性能的措施。將新型預(yù)制地下連續(xù)墻接頭應(yīng)用于實際工程時,應(yīng)提高接頭強度,特別是受拉側(cè)接頭強度,且應(yīng)加強橫向連接,并在地下連續(xù)墻兩端設(shè)置水平約束,防止墻體發(fā)生水平滑移。需通過采取壓緊止水條、在接頭部位涂抹止水膠等措施,進一步提高接頭抗?jié)B性能。

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