趙遠(yuǎn)清 祝年虎 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610299

引言

現(xiàn)澆鋼筋混凝土綜合管廊由于自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，每隔一定間距需要設(shè)置溫度伸縮縫（按《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50838—2015）［1］規(guī)定不大于30m），遇有地基突變等不利工程條件時(shí)也會(huì)設(shè)置變形縫，但是廊內(nèi)管線一般是連續(xù)布設(shè)的。在不均勻沉降和地震作用下，變形縫會(huì)發(fā)生變位，這些變位使廊內(nèi)連續(xù)布設(shè)的管線沿縱向產(chǎn)生附加內(nèi)力［2］，影響管道的正常受力狀態(tài)。為了限制變位的發(fā)生，工程中可以在變形縫處采用多種構(gòu)造處理，如設(shè)置抗剪錨桿或抗剪鋼板，可有效地控制縫處的錯(cuò)動(dòng)位移，極大地減小廊內(nèi)管線縱向附加內(nèi)力。

李榮華［3］等利用有限元軟件ABAQUS分析了承插式管廊接頭的位移和應(yīng)力，得到了廊體和接頭處節(jié)點(diǎn)發(fā)生位移的變化規(guī)律。筆者等就變形縫處設(shè)置抗剪錨筋時(shí)的抗變位單向加載試驗(yàn)［4］和往復(fù)加載試驗(yàn)［5］研究，對(duì)綜合管廊變形縫處設(shè)置抗剪錨桿的破壞形態(tài)、破壞機(jī)制、極限承載力、變形能力與延性等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。林雪斌［6］等采用有限元軟件Midas分析了變形縫處設(shè)置的抗剪錨筋在不同情況下的受力狀況。

本文針對(duì)在縫間設(shè)置外貼式抗剪鋼板的構(gòu)造型式，采用ABAQUS軟件進(jìn)行模擬單向加載和往復(fù)加載計(jì)算，得到了模擬模型的破壞形態(tài)、力-位移曲線，并與變形縫處設(shè)置抗剪錨桿時(shí)的單向加載試驗(yàn)和往復(fù)加載試驗(yàn)研究進(jìn)行對(duì)照分析，為城市綜合管廊建設(shè)技術(shù)提供基礎(chǔ)研究資料和設(shè)計(jì)參考。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

實(shí)際工程應(yīng)用中，抗剪鋼板是沿變形縫按一定間距成組布置的，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文把連接件合并設(shè)置為一個(gè)很大的抗剪鋼板，外貼在管廊墻壁上，具體構(gòu)造如下：

（1）連接構(gòu)造由鋼板和高強(qiáng)螺栓組成，高強(qiáng)螺栓預(yù)埋在相鄰節(jié)段內(nèi)表面；

（2）鋼板采用H形鋼板，其腹板（變形段）設(shè)計(jì)為整個(gè)連接構(gòu)造體系的薄弱環(huán)節(jié)，用于滿足變形需求和承擔(dān)剪力抗力；其兩側(cè)翼緣上鉆孔，與預(yù)埋螺栓連接；一側(cè)螺栓孔采用長(zhǎng)條形螺栓孔，滿足變形縫縱向伸縮的需求；

（3）翼緣鋼板及其與螺栓的連接采用強(qiáng)設(shè)計(jì)，確保中間腹板鋼板發(fā)生剪切屈服后，仍保持彈性受力狀態(tài)；整體連接的最大抗剪承載力低于混凝土節(jié)段的抗剪承載力，以保證混凝土不發(fā)生損傷，讓損傷集中發(fā)生在鋼板上。

連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖1 所示。

圖1 連接構(gòu)造示意Fig.1 The diagram of connection structure

1.2 構(gòu)件設(shè)計(jì)

為了簡(jiǎn)化分析流程，本設(shè)計(jì)中忽略了允許縱向自由變形伸縮的長(zhǎng)條形螺栓孔。因?yàn)榧虞d方向均為豎直方向，垂直于水平長(zhǎng)條形螺栓孔引起的變形可以忽略，因此這一簡(jiǎn)化對(duì)于相應(yīng)的分析結(jié)果影響不大。

本文模型管廊結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［5］中的模型結(jié)構(gòu)幾乎完全相同，由三部分組成，分別為2段經(jīng)截短的管廊節(jié)段以及兩者之間設(shè)置的變形縫，唯一區(qū)別是將試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭锌p間的抗剪錨筋更換為外貼式抗剪鋼板。模型縱向總長(zhǎng)度取720mm，其中一節(jié)段縱向長(zhǎng)度為360mm，將作為分析中與底座連接的一端，后文統(tǒng)一命名為“節(jié)段1”，另一節(jié)段縱向長(zhǎng)度為350mm，將作為分析中用于加載的一端，后文統(tǒng)一命名為“節(jié)段2”，中間設(shè)縫寬10mm，橫截面高1150mm，寬850mm，頂板和底板板厚150mm，側(cè)壁壁厚100mm。

模型的總截面積425000mm2，為保證與底座相連的節(jié)段1 足夠穩(wěn)固，鋼筋截面積取8381.77mm2，配筋率1.972%；而節(jié)段2鋼筋截面積為2613.8mm2，配筋率0.615%。配筋如圖2 所示。

圖2 模型設(shè)計(jì)方案Fig.2 The design of model

抗剪鋼板設(shè)計(jì)為H 形鋼板，尺寸如圖3 所示，選用Q345 鋼，厚度6mm。選用8.8 級(jí)M20的螺栓，標(biāo)準(zhǔn)孔徑為20mm。

圖3 抗剪鋼板設(shè)計(jì)（單位： mm）Fig.3 The design of shear steel plate（unit：mm）

構(gòu)件設(shè)計(jì)的主要原則為：保證高強(qiáng)螺栓和與其連接的翼緣板不破壞，使跨縫腹板發(fā)生剪切破壞，并保證腹板的變形能力。

1.3 材料

模擬的各構(gòu)件混凝土選用C35，結(jié)構(gòu)鋼筋選用HRB400，抗剪鋼板選用Q345。

2 有限元模型建立與分析

2.1 混凝土材料本構(gòu)模型

混凝土材料在往復(fù)加載作用下會(huì)出現(xiàn)裂縫開(kāi)閉、剛度退化、損傷等特征，ABAQUS 中所提供的混凝土損傷塑性模型會(huì)將指標(biāo)引入到本構(gòu)關(guān)系中，故本文選用該模型進(jìn)行混凝土的模擬，如圖4 所示。將混凝土受拉開(kāi)裂及受壓破碎、剛度退化、階段裂縫開(kāi)展及閉合等狀況考慮在內(nèi)。

圖4 混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.4 Stress-strain relationship of concrete

2.2 鋼材本構(gòu)模型

鋼材應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系二折線理想模型在屈服前為線彈性，強(qiáng)度在屈服后保持恒定。結(jié)構(gòu)鋼材選用二折線理想彈塑性鋼材本構(gòu)模型，鋼材本構(gòu)模型如圖5 所示。

圖5 鋼材的本構(gòu)模型Fig.5 Constitutive model of steel

2.3 單元類(lèi)型選取

管廊結(jié)構(gòu)屬于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為便于離散化地對(duì)其進(jìn)行分析，本文在進(jìn)行有限元建模時(shí)將鋼筋與混凝土分離建模，可以更好地反映鋼筋與混凝土之間變形、裂縫及破壞形式，選定適宜的單元類(lèi)型，并可分別查看其應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)。其中，混凝土采用三維實(shí)體單元C3D8R；鋼筋選取桁架單元T3D2；鋼板采用三維實(shí)體C3D4。

2.4 邊界條件與載荷

結(jié)構(gòu)主要受自身重力及豎直方向的均布荷載作用。通過(guò)位于試件節(jié)段2 上方的加載端板頂部施加豎向荷載，全過(guò)程中采用荷載-位移加載。試件節(jié)段1 與剛性體固接。如圖6 所示。

圖6 荷載邊界條件Fig.6 Load and boundary condition

3 計(jì)算結(jié)果及分析比較

3.1 單向加載力-位移曲線

單向加載情況下設(shè)置外貼抗剪鋼板的模擬值如圖7 所示。根據(jù)圖7 可見(jiàn)，抗剪鋼板的力-位移曲線表現(xiàn)出很高的初始剛度，顯示出對(duì)于沉降的較高抵抗能力，而一旦屈服后，呈現(xiàn)出很長(zhǎng)的屈服段，符合鋼材的力-位移變形曲線。達(dá)到峰值時(shí)，鋼板變形段相對(duì)沉降超過(guò)了15mm，滿足了變形需求（模型為1∶4 縮尺）。

圖7 單調(diào)加載下模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results under monotonic loading

與單向加載情況下設(shè)置抗剪錨桿的試驗(yàn)典型力-位移曲線（圖8）［4］比較，采用抗剪錨筋時(shí)，變形縫剛度偏小，剪力達(dá)到峰值后，變形能力和承載力迅速下降，呈現(xiàn)出“脆性”損傷特征。

圖8 單調(diào)加載下試驗(yàn)結(jié)果［4］Fig.8 Test results under monotonic loading［4］

3.2 往復(fù)加載力-位移曲線

往復(fù)加載情況下設(shè)置外貼抗剪鋼板的模擬值如圖9 所示。根據(jù)圖9 可以看出，抗剪鋼板由于采取了合理的基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法，確保了鋼板變形段、鋼板螺栓連接和混凝土節(jié)段三級(jí)強(qiáng)度分配，保證了鋼板變形段作為主要的變形集中部位，因此可以看出其滯回曲線與鋼材剪切滯回曲線高度吻合，混凝土損傷和鋼板螺栓連接損傷的影響非常小，實(shí)現(xiàn)了提出這一變形縫構(gòu)造措施的初衷，也能夠根據(jù)需要進(jìn)行更換。

圖9 往復(fù)加載下模擬結(jié)果Fig.9 Simulation results under cyclic loading

與往復(fù)加載情況下設(shè)置抗剪錨桿的試驗(yàn)典型滯回曲線（圖10）［5］比較，抗剪錨筋構(gòu)造的滯回曲線受到剪力桿和混凝土損傷的雙重影響，呈現(xiàn)出一定的不規(guī)則性，這是由于抗剪錨筋構(gòu)造力學(xué)機(jī)理更為復(fù)雜，因此混凝土損傷也較為嚴(yán)重，導(dǎo)致變形縫抗變形性能難以預(yù)測(cè)。

圖10 往復(fù)加載下試驗(yàn)結(jié)果［5］Fig.10 Test results under cyclic loading［5］

3.3 混凝土單元損傷情況

圖11、圖12為抗剪鋼板模型的混凝土單元損傷狀況。從圖中可以看出，管廊節(jié)段混凝土的變形主要集中在與鋼板螺栓連接的側(cè)壁上，且未出現(xiàn)明顯損傷，幾乎處于彈性范圍，不需要修復(fù)或僅需局部小補(bǔ)，工作狀態(tài)良好，達(dá)到了預(yù)想的目標(biāo)。

圖11 抗剪鋼板模型節(jié)段1 混凝土損傷示意Fig.11 Stress nephogram of concrete in Section 1 of shear steel plate model

圖12 抗剪鋼板模型節(jié)段2 混凝土損傷示意Fig.12 Stress nephogram of concrete in Section 2 of shear steel plate model

3.4 鋼板變形段、節(jié)段結(jié)構(gòu)鋼筋損傷情況

圖13 為抗剪鋼板、節(jié)段結(jié)構(gòu)鋼筋損傷情況，可見(jiàn)混凝土節(jié)段內(nèi)鋼筋受力很小，并無(wú)明顯的破壞現(xiàn)象，而抗剪鋼板變形段發(fā)生明顯的剪切破壞現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了將損傷集中在變形段的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖13 抗剪鋼板、 結(jié)構(gòu)鋼筋損傷示意Fig.13 Stress nephogram of shear steel plate and structural reinforcement

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)管廊節(jié)段間設(shè)置抗剪鋼板的構(gòu)造建立非線性有限元分析模型，進(jìn)行單向加載和往復(fù)加載計(jì)算，并對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可得出如下結(jié)論：

1.綜合管廊變形縫處設(shè)置的抗剪鋼板在鋼板平面內(nèi)具有良好的抗變位能力和抗震性能。

2. 采用ABAQUS 軟件模擬的抗剪鋼板螺栓連接型式在單向加載下的力-位移曲線和在往復(fù)加載下的滯回曲線均符合鋼材的力-位移曲線特征。

3.變位發(fā)生后，鋼板螺栓連接及混凝土節(jié)段損傷較小，損傷集中于鋼板變形段上，從而能夠?qū)崿F(xiàn)外貼抗剪鋼板螺栓連接的可更換性。

4.模擬得出了抗剪鋼板螺栓連接的力-位移曲線、破壞模式及損傷機(jī)制，與之前試件試驗(yàn)獲得的抗剪錨桿變形縫構(gòu)造試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者有一定差異，但所達(dá)到的抗變位效果基本一致，設(shè)置抗剪鋼板的構(gòu)造型式延性更好。