祝年虎 趙遠(yuǎn)清 林雪斌

中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 成都610081

引言

綜合管廊正常使用過(guò)程中，由于變形縫通常設(shè)置在地基變化較大處、綜合管廊變艙處、交叉口處等，在地震波作用下，以及變形縫處荷載不均勻布置及地基不均勻沉降，從而引起管廊變形縫發(fā)生變位，管廊內(nèi)管線(xiàn)產(chǎn)生縱向附加應(yīng)力，從而影響管線(xiàn)的正常運(yùn)行［1］。同時(shí)，從趙遠(yuǎn)清［2，3］等研究的綜合管廊變形縫處抗剪錨筋單向加載試件（編號(hào)GLJ-1 ～GLJ-4）及往復(fù)加載（編號(hào)GLJ-5 ～GLJ-8）試驗(yàn)現(xiàn)象中，可以觀察到管廊極限狀態(tài)發(fā)生破壞時(shí)，抗剪錨筋數(shù)量設(shè)置不同，管廊破壞現(xiàn)象不盡相同。變形縫處抗剪錨筋布置較多時(shí)，最終破壞形態(tài)為混凝土劈裂與抗剪錨筋彎剪屈服同時(shí)發(fā)生；抗剪錨筋布置較少時(shí)，最終破壞形態(tài)為抗剪錨筋彎剪屈服。本文在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象及抗剪錨筋在實(shí)際工程中的應(yīng)用，對(duì)變形縫處如何合理地設(shè)計(jì)抗剪錨筋進(jìn)行了相關(guān)的探索。

1 錨筋數(shù)量確定

采用有限元軟件Midas Gen 對(duì)抗剪錨筋內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，以錨筋間距0.5m 為例，在水平及豎向作用下，驗(yàn)算抗剪錨筋抗剪承載能力，從而確定錨筋直徑。并結(jié)合文獻(xiàn)［2］、［3］等試驗(yàn)以及為了方便計(jì)算，假定抗豎向變位的錨筋僅布置于側(cè)壁，抗水平變位的錨筋僅布置于管廊頂板、底板。

1.1 抗水平變位的錨筋

選取單艙、雙艙管廊標(biāo)準(zhǔn)段作為模擬對(duì)象，通過(guò)有限元軟件Midas Gen 采用縱向地震反應(yīng)位移法對(duì)管廊變形縫處錨筋受力進(jìn)行計(jì)算分析。單艙、雙艙管廊斷面如圖1 所示。

圖1 單艙管廊錨筋布置（單位： mm）Fig.1 Layout of anchor bars of single and double cabin utility tunnel（unit：mm）

管廊覆土厚度3.0m，管廊主體結(jié)構(gòu)采用C40防水混凝土，抗?jié)B等級(jí)為P8。單艙、雙艙管廊有限元模型的長(zhǎng)度不宜小于土層變形波長(zhǎng)［4］，每段管廊長(zhǎng)度30m，選取5 段管廊，每段之間變形縫寬度為30mm?？辜翦^筋采用梁?jiǎn)卧M，并釋放梁端縱向約束，不能傳遞軸力。管廊有限元模型如圖2 所示。

圖2 管廊有限元模型Fig.2 Finite element model of utility tunnel

管廊變形縫處的錨筋采用Q345 直徑40mm鋼筋，錨筋間距取值0.5m，不同烈度及場(chǎng)地類(lèi)別下，管廊參數(shù)輸入如表1 所示。

表1 管廊反應(yīng)位移法參數(shù)Tab.1 Parameters of the response displacement method of utility tunnel

單艙管廊錨筋間距0.5m縱向反應(yīng)位移法抗剪錨筋受力計(jì)算結(jié)果如表2 所示。雙艙管廊錨筋間距0.5m縱向反應(yīng)位移法抗剪錨筋受力計(jì)算結(jié)果如表3所示。地基基床系數(shù)取值相同，相同地震烈度下（7 度0.1g），不同場(chǎng)地類(lèi)別工況下，單艙、雙艙管廊抗剪錨筋受力計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表3 不同烈度不同場(chǎng)地類(lèi)別下雙艙管廊抗剪錨筋受力計(jì)算結(jié)果（單位：kN）Tab.3 Calculation results of shear anchor bars of double cabin utility tunnel under different intensity and site type（unit：kN）

單根錨筋抗剪承載力理論值為160kN，通過(guò)有限元軟件計(jì)算，并分析表2 ～表4 中計(jì)算結(jié)果可知：

表2 不同烈度不同場(chǎng)地類(lèi)別下單艙管廊抗剪錨筋受力計(jì)算結(jié)果（單位：kN）Tab.2 Calculation results of shear anchor bars of single cabin utility tunnel under different intensity and site type（unit：kN）

表4 相同烈度不同場(chǎng)地類(lèi)別管廊抗剪錨筋受力計(jì)算結(jié)果（單位：kN）Tab.4 Calculation results of shear anchor bars of utility tunnel under the same intensity and different site type（unit：kN）

（1）單艙、雙艙管廊抗剪錨筋相同場(chǎng)地類(lèi)別下，地震烈度越高，抗剪錨筋受力越大。8 度區(qū)抗剪錨筋受力已超過(guò)抗剪錨筋的承載力。

（2）相同地震烈度，地基基床系數(shù)相同，場(chǎng)地越軟，抗剪錨筋受力越大。

此外，若管廊參數(shù)取值不同，抗剪錨筋受力計(jì)算結(jié)果會(huì)有一定的差異。8 度區(qū)抗剪錨筋的受力已經(jīng)很大，對(duì)于9 度區(qū)，抗剪錨筋的設(shè)計(jì)需做進(jìn)一步的探討或采用其他加強(qiáng)措施。

1.2 抗豎向變位的錨筋

豎向抗變位錨筋分布于管廊側(cè)壁，依據(jù)林雪斌［5］等分析的不同工況：1）變形縫兩側(cè)地質(zhì)條件發(fā)生變化；2）變形縫一側(cè)地基沉陷后出現(xiàn)局部脫空情況；3）變形縫兩側(cè)縱向剛度突變，模型中變形縫兩側(cè)分別為單艙管廊及雙艙管廊；4）變形縫兩側(cè)縱向剛度突變，模型中變形縫兩側(cè)分別為管廊標(biāo)準(zhǔn)段及交叉口；5）變形縫兩側(cè)上部覆土突變等，運(yùn)用有限元軟件Midas Gen 計(jì)算不同工況下抗剪錨筋的受力大小，調(diào)整抗剪錨筋直徑及間距并驗(yàn)算各個(gè)工況下抗剪錨筋的受力。

2 錨筋間距確定

為了確定錨筋間距，取錨筋的間距為0.3m、0.5m、0.6m、1.0m分別在相同場(chǎng)地類(lèi)別（Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地）、不同地震烈度工況下進(jìn)行受力計(jì)算，單艙管廊單根抗剪錨筋受力計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 相同場(chǎng)地類(lèi)別不同烈度不同間距抗剪錨筋受力計(jì)算結(jié)果（單位：kN）Tab.5 Calculation results of shear anchor bars of utility tunnel under the same intensity，different site type and spacing（unit：kN）

分析表5 中計(jì)算結(jié)果，可以得到：相同場(chǎng)地類(lèi)別，相同錨筋間距，地震烈度越高，抗剪錨筋受力越大；相同烈度下，錨筋間距越大，抗剪錨筋受力越大。由表5 可知，錨筋間距為1.0m時(shí)，各工況基本超過(guò)了錨筋承載力，故錨筋間距的設(shè)計(jì)考慮到施工及錨筋受力情況一般取值300mm ～800mm。

3 錨筋處混凝土抗沖切驗(yàn)算

在水平地震作用下，需進(jìn)行管廊側(cè)壁抗剪錨筋處混凝土抗沖切驗(yàn)算；在豎向荷載作用下，需進(jìn)行管廊底板及頂板抗剪錨筋處混凝土抗沖切驗(yàn)算。

從文獻(xiàn)［2］、［3］等試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，管廊變形縫試驗(yàn)構(gòu)件破壞時(shí)，錨固錨筋周?chē)炷脸霈F(xiàn)劈裂現(xiàn)象。為了避免管廊變形縫處毫無(wú)征兆地發(fā)生脆性破壞，故對(duì)錨筋處混凝土進(jìn)行抗沖切驗(yàn)算?？辜翦^筋處混凝土，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）（2015 版）6.5.1 條中公式Fl≤0.7βhftηumh0進(jìn)行了抗沖切計(jì)算，單根鋼筋處混凝土抗沖切計(jì)算和單側(cè)抗剪錨筋處混凝土整體抗沖切計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表6。假定荷載均勻作用在每根錨筋上。構(gòu)件GLJ-1 ～GLJ-3［2］、GLJ-5［3］錨筋2810 均勻布置在管廊四周壁板內(nèi)，構(gòu)件GLJ-7［3］錨筋2010 均勻布置在管廊四周壁板內(nèi)。

表6 錨筋處混凝土抗沖切計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Tab.6 Comparison between calculation value and test value of concrete of anchor bars punching shear

由表6 可知，單根錨筋處混凝土抗沖切計(jì)算值與單根錨筋承受荷載比值≥1.99，單側(cè)錨筋處混凝土整體抗沖切計(jì)算值與單側(cè)錨筋承受荷載比值≤1.16，故試件破壞時(shí)荷載與混凝土整體抗沖切承載力相近。根據(jù)文獻(xiàn)［2］、［3］試驗(yàn)現(xiàn)象可知，構(gòu)件GLJ-1、GLJ-2、GLJ-3 發(fā)生破壞時(shí)，錨筋周?chē)幕炷脸霈F(xiàn)劈裂現(xiàn)象，如圖3 所示，并結(jié)合沖切驗(yàn)算，分析出現(xiàn)混凝土劈裂現(xiàn)象主要是由抗剪錨筋處混凝土發(fā)生整體沖切所引起。從文獻(xiàn)［2］、［3］等試驗(yàn)構(gòu)件破壞現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)沿橫向分布的上表面沖切裂縫距離縫邊很近，達(dá)不到理論沖切的破壞模式。造成構(gòu)件這種破壞的原因是抗剪錨筋剪應(yīng)力主要集中在端部，混凝土實(shí)際抗沖切計(jì)算值小于理論計(jì)算值，建議抗剪錨筋處混凝土抗沖切計(jì)算時(shí)對(duì)其折減，建議折減系數(shù)0.8 ～0.9。實(shí)際工程中管廊變形縫處設(shè)置有橡膠止水帶或者防水卷材，對(duì)該處混凝土引起進(jìn)一步的削弱。故針對(duì)管廊變形縫處薄弱部位，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)復(fù)核抗剪錨筋處混凝土抗沖切承載力并加強(qiáng)其構(gòu)造措施，如圖4 所示，設(shè)置多道U型箍筋對(duì)橡膠止水帶處混凝土進(jìn)行加強(qiáng)。同時(shí)，抗剪錨筋的直徑及間距可以通過(guò)抗剪錨筋處的混凝土抗沖切承載力反算，防止混凝土沖切破壞早于抗剪錨筋出現(xiàn)屈服。

圖3 構(gòu)件破壞形態(tài)Fig.3 Failure mode of components

圖4 抗剪錨筋布置示意Fig.4 Diagram of shear anchor bars

4 縫邊配筋加強(qiáng)

通過(guò)文獻(xiàn)［2］、［3］試驗(yàn)現(xiàn)象可知，構(gòu)件GJL1 ～GLJ8 混凝土初始裂縫均發(fā)生在管廊頂部中部，裂縫呈現(xiàn)為梁式橫向裂縫。由于管廊變形縫處抗剪錨筋的設(shè)置，抗剪錨筋的作用會(huì)增大變形縫附近一定區(qū)域（500mm ～1000mm）處受力，同時(shí)橡膠止水帶及防水卷材的設(shè)置削弱了該處的混凝土截面，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予充分考慮。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建議變形縫附近一定區(qū)域（500mm ～1000mm）范圍內(nèi)增加管廊結(jié)構(gòu)配筋量，配筋量可以通過(guò)抗剪錨筋受力簡(jiǎn)化成集中力反作用于管廊進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)無(wú)計(jì)算時(shí)建議取1.2 ～1.5倍正常計(jì)算配筋量。變形縫處管廊縱向鋼筋建議適當(dāng)加強(qiáng)。

5 錨筋錨固長(zhǎng)度的確定

構(gòu)件GLJ1 ～GLJ4 為單向加載，構(gòu)件GLJ1、GLJ3、GLJ4 錨筋錨固長(zhǎng)度為150mm，構(gòu)件GLJ2錨筋錨固長(zhǎng)度為100mm；構(gòu)件GLJ5 ～GLJ8 為往復(fù)加載，構(gòu)件GLJ5、GLJ7、GLJ8 錨筋錨固長(zhǎng)度為150mm，構(gòu)件GLJ6 錨筋錨固長(zhǎng)度為100mm。根據(jù)文獻(xiàn)［2］，各試驗(yàn)構(gòu)件抗剪錨筋均未出現(xiàn)錨固失效，建議抗剪錨筋的錨固長(zhǎng)度取15d。

6 結(jié)論

1. 通過(guò)有限元軟件Midas Gen 采用縱向反應(yīng)位移法的計(jì)算結(jié)果分析，地震烈度越高，抗剪錨筋受力越大。建議高烈度區(qū)域宜考慮水平地震作用的影響，管廊變形縫處宜設(shè)置抗剪錨筋?？辜翦^筋的數(shù)量及直徑根據(jù)有限元軟件內(nèi)力計(jì)算確定。

2. 通過(guò)試件抗剪錨筋處混凝土抗沖切驗(yàn)算，試件破壞時(shí)荷載與混凝土整體抗沖切承載力相近，故建議設(shè)置抗剪錨筋時(shí)需進(jìn)行抗沖切驗(yàn)算。

3. 建議變形縫附近一定區(qū)域（500mm ～1000mm）范圍內(nèi)增加管廊結(jié)構(gòu)配筋量，當(dāng)無(wú)計(jì)算時(shí)建議取1.2 ～1.5 倍正常計(jì)算配筋量。變形縫處管廊縱向鋼筋建議適當(dāng)加強(qiáng)。

4. 建議抗剪錨筋的錨固長(zhǎng)度取15d。錨筋間距考慮到施工及錨筋受力一般取值300mm ～800mm，具體取值根據(jù)計(jì)算確定。