郭忠 嚴(yán)佳佳 陳勇

1.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 杭州311120

2.浙江大學(xué) 杭州310058

引言

近年來隨著國內(nèi)綜合管廊建設(shè)的大力發(fā)展，為進(jìn)一步推動(dòng)綜合管廊預(yù)制裝配化，各類預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)形式得到快速發(fā)展，其中，疊合板式拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)，由于斷面形式適應(yīng)性好、吊裝要求低、便于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、施工工期短等優(yōu)勢(shì)，具有較好的推廣應(yīng)用前景。預(yù)制疊合式混凝土結(jié)構(gòu)最早起源于德國，目前在地上建筑結(jié)構(gòu)中已有較多的應(yīng)用。但是其作為一種新的地下綜合管廊結(jié)構(gòu)型式，由于地下結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)與地上建筑不同，國內(nèi)對(duì)于疊合板式拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究還較少，尤其是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況下預(yù)制疊合管廊結(jié)構(gòu)的安全性和正常使用功能等尚無相關(guān)研究，當(dāng)前可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)較少，設(shè)計(jì)和施工方法還處于摸索階段。田子玄［1］依托哈爾濱地下綜合管廊項(xiàng)目對(duì)疊合板式拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)開展了系列室內(nèi)試驗(yàn)和有限元模擬研究，發(fā)現(xiàn)裝配疊合板式節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的受力性能基本相同，裝配疊合式節(jié)點(diǎn)的整體性能良好。對(duì)整體管廊在雙向荷載作用下的“內(nèi)拱效應(yīng)”進(jìn)行了理論分析，給出了承載力計(jì)算方法，但構(gòu)造措施在實(shí)際施工中較難實(shí)施。在整體試驗(yàn)研究方面，薛偉辰等［2－6］依托上海世博園區(qū)綜合管廊項(xiàng)目對(duì)預(yù)制預(yù)應(yīng)力整體式管廊結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、接頭防水性能、施工監(jiān)測(cè)及經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究和對(duì)比，對(duì)預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊在四周等值對(duì)稱荷載的作用下的受力性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并提出了預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊接頭的設(shè)計(jì)方法。

本文依托杭州江東大道疊合板式拼裝綜合管廊項(xiàng)目，通過在結(jié)構(gòu)內(nèi)部布置應(yīng)變片、應(yīng)力計(jì)等監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)覆土回填、車輛荷載、溫度作用下，疊合板式拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)的響應(yīng)開展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

1.1 項(xiàng)目概況

本現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目為杭州江東大道疊合板式拼裝綜合管廊項(xiàng)目，管廊位于江東大道北側(cè)，覆土厚度約為3m，管廊截面為雙艙矩形截面，外墻厚度為0.5m，中隔墻厚0.3m，管廊結(jié)構(gòu)采用疊合板式拼裝形式，其中頂、底板和外墻采用單面疊合，中隔墻采用雙面疊合的形式。管廊結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。本試驗(yàn)段的管廊結(jié)構(gòu)配筋斷面如圖1所示。

圖1 預(yù)制疊合管廊結(jié)構(gòu)配筋斷面Fig.1 Sectional of structural reinforcement

1.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備

本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)采用BGK-8001微功耗數(shù)據(jù)采集儀、BGK-4000振弦式弧焊型應(yīng)變計(jì)以及室外太陽能充電裝置。該監(jiān)測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管廊結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸。

1.3 結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置

針對(duì)車輛荷載作用下構(gòu)件的響應(yīng)，在管廊內(nèi)壁上布置應(yīng)變片和位移計(jì)，如圖2所示。其中，T1～T10為頂板上的應(yīng)變片（共5排，1與2，3與4，5與6，7與8，9與10在沿管廊長(zhǎng)度方向上間距20cm），C1～C6為側(cè)板上的應(yīng)變片，B1～B5為底板上的應(yīng)變片。D1～D3為位移計(jì)，實(shí)際施工時(shí)需用支在底板上的鋼架固定，其中D1所測(cè)為上下板的相對(duì)位移，D2、D3所測(cè)為內(nèi)隔墻的水平位移。

圖2 管廊內(nèi)應(yīng)變片位移計(jì)布置Fig.2 Arrangement of displacement meter

通過對(duì)結(jié)構(gòu)在使用階段的受力情況的理論分析，確定了構(gòu)件的幾個(gè)危險(xiǎn)截面。測(cè)試共采用4個(gè)應(yīng)變計(jì)，3個(gè)布置在管廊大艙室內(nèi)（S1，S2，S3），1個(gè)布置于小腔室內(nèi)（S4），具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置見圖3。量測(cè)時(shí)間為每4h讀取一次數(shù)據(jù)。通過量測(cè)結(jié)果的分析研究，可以得到疊合板式拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)在覆土回填施工過程以及運(yùn)營過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)方案

2.1 有限元模擬

管廊在運(yùn)營期間主要受到上覆填土荷載、交通荷載作用以及溫度變化引起的結(jié)構(gòu)變形。為了更好地監(jiān)測(cè)運(yùn)營期間管廊結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，先通過有限元模擬的方法，復(fù)核結(jié)構(gòu)最不利受力位置及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置的位置，并通過荷載偏移確定最不利加載位置。將車輛荷載對(duì)稱作用在管廊兩側(cè)，擬將車輛放置于管廊大艙室的正上方，使得荷載分布均勻，車輛前后間距根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件確定。通過計(jì)算確定結(jié)構(gòu)的最不利受力位置及變形最大的部位。在實(shí)際使用中這都將會(huì)是偏載情況，在對(duì)管廊進(jìn)行受力分析時(shí)，必須全面考慮偏載對(duì)其的影響，否則可能出現(xiàn)高出管廊承載力的情況。

圖3 危險(xiǎn)截面應(yīng)變計(jì)布置示意Fig.3 Arrangement of strain gauge

2.2 有限元模型建立

本文有限元模型采用二維平面單元PLANE82，裝配式鋼筋混凝土管廊材料為線彈性材料；回填土材料為彈塑性材料，屈服準(zhǔn)則為Ducker-Prage本構(gòu)關(guān)系，彈塑性性能通過材料常數(shù)內(nèi)摩擦角φ和凝聚力c體現(xiàn)。

2.3 有限元計(jì)算結(jié)果

本項(xiàng)目采用兩輛車并排放置于管廊之上，其荷載可以表示為如圖5所示，車輛荷載按設(shè)計(jì)荷載的城A級(jí)荷載考慮。將荷載的荷中點(diǎn)從管廊大腔室的中點(diǎn)位置處向兩邊以0.3m為步長(zhǎng)向兩邊移動(dòng)，通過多次試算，確定可能的最不利位置。通過有限元計(jì)算得到的各處應(yīng)變和位移如圖6所示。圖中荷載中心距離為荷載中點(diǎn)與管廊大艙室中點(diǎn)之間的距離。

由圖6可以看出，當(dāng)荷載中心位于管廊大腔室中心時(shí)左側(cè)2.3m、左側(cè)0.5m、右側(cè)3m

管廊結(jié)構(gòu)為地下結(jié)構(gòu)，土體結(jié)構(gòu)之間采用接觸單元考慮其相互之間的作用。邊界條件采用遠(yuǎn)置邊界法。尺寸大于結(jié)構(gòu)的5倍，可以不考慮邊界效應(yīng)。本文有限元模型采用土體的材料屬性如表1所示，土層的分布如圖4所示。處可能為最不利荷載處。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加載過程中可按此方案進(jìn)行荷載布置。

表1 土層參數(shù)Tab.1 Soil properties

圖4 有限元模型示意Fig.4 Finite element model

圖5 偏載最不利位置的確定Fig.5 Determination of the most unfavorable position of partial load

圖6 各點(diǎn)響應(yīng)隨荷載中心位置變化曲線Fig.6 The variation of strain with the position of load

圖7 試驗(yàn)加載示意Fig.7 Appling of the testing load

2.4 試驗(yàn)加載方案

根據(jù)以上分析制定現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)車輛荷載布置如圖7所示，其中a的取值為三種可能的最不利位置：（1）a＝－3m，（2）a＝0.5m，（3）a＝2.3m。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)采用遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，圖8給出了自2017年10月13日到2018年5月3日的應(yīng)變值和溫度值的變化時(shí)程曲線。由于現(xiàn)場(chǎng)施工失誤對(duì)數(shù)據(jù)線的損壞，導(dǎo)致最后幾天S1、S2、S4數(shù)據(jù)丟失。圖中施工進(jìn)程如下：①2017年10月13日至2018年1月12日為相鄰側(cè)管廊澆筑與冠梁及支撐拆除階段；②2018年1月13日至2018年2月12日為預(yù)制段也就是試驗(yàn)段管廊上側(cè)的覆土回填；③2018年2月13日至2018年5月3日為回填完成后車輛開始通行加載試驗(yàn)階段。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的數(shù)據(jù)，考慮最后30d為結(jié)構(gòu)運(yùn)營階段的最終受力階段，由測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的最大值、最小值和平均值得到圖9。從圖中可以看到在運(yùn)營荷載作用下，大艙室頂板的變形最大，且隨著結(jié)構(gòu)變形變化幅度較大；側(cè)墻和中隔墻的變形相對(duì)較小，影響也較小；小艙室頂板的變形受荷載移動(dòng)影響顯著。

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50010—2010），C35混凝土極限拉應(yīng)變?yōu)?28με，極限壓應(yīng)變?yōu)?790με。由圖9可見，在施工階段和正常運(yùn)營階段管廊結(jié)構(gòu)均處于正常使用狀態(tài)。在結(jié)構(gòu)尺寸和配筋與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相同條件下，采用疊合板式拼裝綜合管廊形式可以確保管廊結(jié)構(gòu)的安全性和正常使用功能。

表2 為有限元的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的對(duì)比，測(cè)點(diǎn)S1、S2、S4均相似，測(cè)點(diǎn)S3不相似。可能是在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，由于管廊內(nèi)排水不及時(shí)，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)S3泡在水中，只是應(yīng)變計(jì)數(shù)值錯(cuò)誤?？紤]到工程的誤差，以及土體的不均勻性，可以認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果總體正確，且有限元與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)都顯示管廊在正常使用狀態(tài)，可繼續(xù)安全服役。

圖8 S1～S4應(yīng)變、溫度時(shí)程曲線Fig.8 Strain and temperature curves of S1～S4

表2 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of strain values of each measuring point

圖9 各點(diǎn)處應(yīng)變最值與均值Fig.9 Maximum and average strain at each point

4 結(jié)語

對(duì)杭州江東大道疊合板式拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)各階段性測(cè)試的數(shù)據(jù)顯示，在施工荷載和正常運(yùn)營荷載作用下結(jié)構(gòu)較敏感部位結(jié)構(gòu)均未發(fā)生超出鋼筋混凝土規(guī)范上所規(guī)定的C35混凝土拉、壓應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)也未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和理論結(jié)果基本接近，表明采用等同設(shè)計(jì)方法進(jìn)行疊合板式拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理可行的，為以后類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供經(jīng)驗(yàn)和參考。