黃文軍 楊 林

（1.安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司華南分公司，廣東 廣州 510000；2.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610）

0 引言

近年來，因現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)施工周期長(zhǎng)，人力成本高，生產(chǎn)效率低及環(huán)境污染嚴(yán)重等問題的影響，人們逐漸意識(shí)到需要重新尋求更好的混凝土結(jié)構(gòu)施工方式，以滿足各種公共建設(shè)工程項(xiàng)目的施工需求。同時(shí)，隨著混凝土結(jié)構(gòu)工業(yè)化、流水線生產(chǎn)的普及和材料性能的提升以及施工安裝工藝的提高，節(jié)能減排政策的推行，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)施工迎來高速發(fā)展，成為大型基建項(xiàng)目?jī)?yōu)先考慮的施工方案之一。

雖然預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)成為近年來的討論熱點(diǎn)，但該方法仍然存在許多不利因素，制約著裝配式結(jié)構(gòu)在我國(guó)的推廣應(yīng)用，如預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化，大型預(yù)制結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸問題以及裝配節(jié)點(diǎn)抗震性能可靠性等?；谏鲜鲈?，我國(guó)目前對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更多是在橋梁等結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單小跨的預(yù)制樓板中，而對(duì)預(yù)制預(yù)應(yīng)力箱梁在地鐵車輛段應(yīng)用的探討較少。車輛段為框架結(jié)構(gòu)且荷載大，現(xiàn)國(guó)內(nèi)大多數(shù)車輛段的建設(shè)采用預(yù)制樓板的施工方案。而預(yù)制預(yù)應(yīng)力箱梁具有較好的變形能力和跨越能力，非常契合車輛段對(duì)空間、承載能力、變形能力等的需求，且由于跨度大，構(gòu)件數(shù)量相對(duì)少，可大面積減少框架柱以及預(yù)制樓板的使用，大幅度地提升預(yù)制裝配式施工效率，實(shí)現(xiàn)多工作面施工，達(dá)到節(jié)約成本及縮短工期的目的。

目前國(guó)內(nèi)使用預(yù)制預(yù)應(yīng)力構(gòu)件拼裝地鐵車輛的案例較少，多數(shù)車輛段為現(xiàn)澆一層框架結(jié)構(gòu)，受制于連接節(jié)點(diǎn)處整體性及抗震性的要求；在工程設(shè)計(jì)階段，預(yù)制構(gòu)件間的梁柱連接及梁梁連接的承載力需要驗(yàn)證，方可大規(guī)模開展流水線生產(chǎn)。本文結(jié)合實(shí)際工程對(duì)環(huán)扣鋼筋連接進(jìn)行試驗(yàn)[1]，并對(duì)承載力進(jìn)行理論分析，為預(yù)應(yīng)力箱梁橋在車輛段預(yù)制工程的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

廣州某地鐵車輛段及上蓋開發(fā)綜合開發(fā)面積為26.29公頃，車輛段為地下2層，根據(jù)車輛段層數(shù)及平面分布特性將整體區(qū)域劃分為11分區(qū)，均采用預(yù)應(yīng)力縱橫梁框架體系（見圖1）。上蓋為預(yù)留白地，上蓋預(yù)留結(jié)構(gòu)為全框支/部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，轉(zhuǎn)換層采用梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行全轉(zhuǎn)換。

圖1 車輛段構(gòu)造示意圖

車輛段預(yù)制構(gòu)件非軌道方向采用20m 跨預(yù)制預(yù)應(yīng)力箱梁拼接橋面作為樓板蓋梁，軌道方向采用倒T 形預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)形成框架梁板結(jié)構(gòu)，梁柱節(jié)點(diǎn)處采用鋼筋貫穿現(xiàn)澆進(jìn)行連接，預(yù)制箱梁采用環(huán)形加插銷形式與倒T型牛腿進(jìn)行連接形成梁梁節(jié)點(diǎn)（見圖2）。

圖2 梁端下緣鋼筋連接（梁梁節(jié)點(diǎn)）圖

該工程采用的環(huán)形連接為成熟技術(shù)上的創(chuàng)新，預(yù)制箱梁端下緣設(shè)置5 根Ф16 環(huán)形鋼筋于牛腿處鋼筋連接，在極端條件下預(yù)制箱梁存在下緣出現(xiàn)正彎矩的情況，需證實(shí)環(huán)扣鋼筋節(jié)點(diǎn)在正常使用狀態(tài)及頻遇地震作用下處于彈性狀態(tài)，在罕遇地震作用下環(huán)扣鋼筋連接仍然有效，同時(shí)需核實(shí)環(huán)形連接是否滿足強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件設(shè)計(jì)需求[3]。對(duì)此設(shè)計(jì)了環(huán)扣鋼筋連接區(qū)受力分析及試件試驗(yàn)。

2 環(huán)扣鋼筋連接承載力分析

2.1 理論計(jì)算分析

環(huán)扣鋼筋連接區(qū)傳力機(jī)理分兩部分：其一是直線段鋼筋-混凝土粘結(jié)力；其二是環(huán)扣端部錨固應(yīng)力[2]。受力簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 環(huán)扣鋼筋連接受力原理分析圖

環(huán)扣鋼筋連接區(qū)破壞模式為核心混凝土受壓破壞，控制指標(biāo)有：

（1）環(huán)扣連接中心截面混凝土受壓承載力；

（2）環(huán)扣端部錨固局部受壓承載力。由此推導(dǎo)出以下僅適用于該工程的承載力公式：

式中：τcr——鋼筋與混凝土之間的峰值粘結(jié)應(yīng)力，取3ft,r；

Ac——壓桿計(jì)算面積

fc——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

la——環(huán)扣鋼筋連接區(qū)平直段長(zhǎng)度；

d——環(huán)扣鋼筋直徑；

lm——環(huán)扣鋼筋重疊長(zhǎng)度；

e——環(huán)扣鋼筋間距；

ft,r——混凝土抗拉強(qiáng)度特征值，此處取混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.85MPa。

由上式可知，影響環(huán)扣鋼筋連接區(qū)承載力的主要因素有：連接區(qū)平直段長(zhǎng)度、混凝土標(biāo)號(hào)、圓環(huán)肢距及環(huán)扣間距等。

結(jié)合該工程設(shè)計(jì)，每片箱梁端設(shè)置5 根φ16 環(huán)形鋼筋與倒T 型梁連接，極端條件下受到正彎矩等效為拉力800kN，即每個(gè)環(huán)形鋼筋受力為160kN,將設(shè)計(jì)參數(shù)代入公式：

綜上所述，小箱梁梁底環(huán)扣鋼筋連接區(qū)承載力滿足要求，在極端條件下梁梁節(jié)點(diǎn)滿足強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件要求。

2.2 有限元計(jì)算分析

立方體混凝土實(shí)體構(gòu)件的長(zhǎng)寬高分別為250mm×250mm×250mm，混凝土標(biāo)號(hào)C60。環(huán)扣鋼筋采用實(shí)體單元建模，直徑為16mm，鋼筋型號(hào)HRB400，環(huán)扣鋼筋豎向中心距30mm，環(huán)扣鋼筋連接區(qū)域長(zhǎng)度180mm。為簡(jiǎn)化分析模型，偏保守不計(jì)插銷鋼筋的影響[4]。

約束混凝土上下表面所有節(jié)點(diǎn)Z 向位移，約束兩個(gè)側(cè)面中心點(diǎn)的Y 向位移，約束混凝土立方塊內(nèi)部中心點(diǎn)X 向位移，其它節(jié)點(diǎn)與質(zhì)心采用剛性連接，在質(zhì)心節(jié)點(diǎn)施加拉力?；炷帘緲?gòu)模型類型為總應(yīng)變裂縫模型，張拉函數(shù)選用脆性函數(shù)（混凝土拉應(yīng)力超過2.85MPa時(shí)不再承受拉應(yīng)力，由鋼筋承擔(dān)），受壓函數(shù)選用常量函數(shù)，分析控制采用位移收斂準(zhǔn)則。采用迭代法分為10 步逐步加載。對(duì)模型進(jìn)行分級(jí)逐步加載，當(dāng)加載到80kN 時(shí)鋼筋主拉應(yīng)力與混凝土主拉應(yīng)力非線性分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 環(huán)扣鋼筋連接區(qū)有限元分析圖

通過有限元分析可知，內(nèi)部局部混凝土主拉應(yīng)力達(dá)到2.85MPa 前，鋼筋應(yīng)力已達(dá)到極限承載力值526MPa。可知核心區(qū)混凝土受力呈現(xiàn)出典型的壓桿傳力模式[5]，在鋼筋標(biāo)準(zhǔn)段達(dá)到屈服時(shí)，核心混凝土未出現(xiàn)明顯破壞現(xiàn)象。以上計(jì)算結(jié)果證實(shí)本方案采用的環(huán)扣鋼筋連接承載力滿足要求。

3 環(huán)扣鋼筋連接承載力影響因素分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為驗(yàn)證環(huán)扣鋼筋連接節(jié)點(diǎn)的承載力影響因素，共制作A0～A6 共7 類試件進(jìn)行環(huán)扣連接的拉拔試驗(yàn)，分別驗(yàn)證環(huán)形間插銷鋼筋、環(huán)形鋼筋重疊長(zhǎng)度、環(huán)形鋼筋間加強(qiáng)連接、同受力面積不同鋼筋數(shù)量、鋼筋連接形式等因素對(duì)試件連接承載力的影響，以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)對(duì)車輛段工程梁梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)配筋配置。

3.2 試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)

A0 試件為工字形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上下邊緣長(zhǎng)為850mm，截面為250mm×300mm，跨中長(zhǎng)為1400mm，截面為250mm×250mm，環(huán)形鋼筋直徑為16mm，重疊長(zhǎng)度為250mm，插銷鋼筋直徑為32mm，如圖5所示。

圖5 基本A0型試件構(gòu)造及配筋圖

在環(huán)形鋼筋節(jié)點(diǎn)區(qū)域外的四邊設(shè)置木方，實(shí)現(xiàn)試件加載時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)域外混凝土先破環(huán)，環(huán)形鋼筋兩側(cè)僅受加載力，方便觀察節(jié)點(diǎn)受力及破壞情況；同時(shí)在節(jié)點(diǎn)區(qū)域外設(shè)置0.3m 長(zhǎng)塑料套管，消除混凝土對(duì)環(huán)形鋼筋的影響。其中A0試件為基本型試件，其余A1-A6試件均在此試件基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)修改。對(duì)比A1 型試件：在A0 試件基礎(chǔ)上取消 Ф32mm 插筋；對(duì)比 A2 型試件：在A0 試件基礎(chǔ)上僅加長(zhǎng)N1 水平投影重疊范圍至250mm；對(duì)比A3型試件：在A0試件基礎(chǔ)上在N1端部的環(huán)扣圓弧段內(nèi)側(cè)加焊加勁鋼板(展開尺寸：寬度80mm×高度60mm×厚度8mm)，鋼筋與鋼板之間滿焊；對(duì)比A4 型試件：在A0 試件基礎(chǔ)上N1 由單根Ф 16mm 鋼筋換成兩根Ф12mm 鋼筋并上下疊置；對(duì)比A5型試件：在A0試件基礎(chǔ)上將N1環(huán)扣連接端由半圓形換成平底形；對(duì)比A6型試件：U型筋呈套箍形式布置，重疊部分為120mm。

3.3 試驗(yàn)過程

加載方式如圖6 所示，通過千斤頂對(duì)試件進(jìn)行加載，第一級(jí)荷載為設(shè)計(jì)荷載，節(jié)點(diǎn)外混凝土破壞后持續(xù)加載直至節(jié)點(diǎn)內(nèi)混凝土或鋼筋發(fā)生破環(huán)喪失承載力而結(jié)束試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中主要測(cè)量構(gòu)件形變及觀察混凝土破環(huán)情況，待試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量套管內(nèi)鋼筋直徑變化判斷鋼筋屈服情況。

圖6 基本A0型試件加載圖

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果見表1 所示。通過A1～A5 型試件可知插銷鋼筋、環(huán)形鋼筋重疊長(zhǎng)度、加強(qiáng)環(huán)形連接、同面積不同鋼筋數(shù)量、環(huán)扣形式對(duì)構(gòu)成承載力無(wú)影響，A6 型試件說明增加鋼筋面積時(shí)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)混凝土先于鋼筋破壞，未實(shí)現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的要求［6］。

圖7 A6型試件破環(huán)圖

表1 試驗(yàn)結(jié)果表

4 結(jié)束語(yǔ)

該工程采用環(huán)扣鋼筋連接方案是成熟技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，經(jīng)過詳實(shí)的理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證可知：核心區(qū)混凝土受力呈現(xiàn)出典型的壓桿傳力模式，在鋼筋標(biāo)準(zhǔn)段達(dá)到屈服時(shí)，核心混凝土未出現(xiàn)明顯破壞現(xiàn)象，證實(shí)了環(huán)扣鋼筋連接的安全性及可靠性。插銷鋼筋、環(huán)形鋼筋重疊長(zhǎng)度、加強(qiáng)環(huán)形連接、同面積不同鋼筋數(shù)量、環(huán)扣形式對(duì)環(huán)扣鋼筋連接的承載力無(wú)影響，增加鋼筋面積時(shí)未實(shí)現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求，因此，設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)注意鋼筋面積。