鐘維軍，金 權(quán)，戴戎楠，周春恒

(1.寧波市電力設(shè)計院有限公司，浙江 寧波 315020；2.寧波大學(xué)，浙江 寧波 315211)

0 引言

隨著現(xiàn)代城市建設(shè)的發(fā)展，城市電網(wǎng)建設(shè)逐漸由架空線形式轉(zhuǎn)入地下電纜形式，其鋪設(shè)方式主要有電纜溝、電纜排管以及電纜隧道等[1]。預(yù)制裝配式混凝土電纜溝不僅能加快施工進度，還能有效提高結(jié)構(gòu)承載力，強化城區(qū)的供電保障能力以及提高管線運行的安全性，在地下輸配電結(jié)構(gòu)中具有很好的應(yīng)用前景[2]。

國內(nèi)對預(yù)制裝配式混凝土電纜溝已開展了大量研究。文獻(xiàn)[3]對預(yù)制裝配式混凝土電纜溝在車輛荷載作用下的力學(xué)性能進行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明車輛輪壓的作用位置和覆土厚度對結(jié)構(gòu)頂板底面的豎向位移、拉應(yīng)力影響顯著；文獻(xiàn)[4]對預(yù)制高性能混凝土電纜溝的抗裂性進行研究，結(jié)果表明預(yù)制高性能混凝土電纜溝的破壞主要集中于蓋板處，且高性能混凝土可以一定程度上提高混凝土的抗裂性；文獻(xiàn)[5]對大型電力工作井預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)體系進行研究，提出了一種分塊拼接的裝配式整體混凝土大板結(jié)構(gòu)方案，此方案拼接出的裝配式工作井不僅具有良好的防滲性，還保證了結(jié)構(gòu)的整體性；文獻(xiàn)[6]對新型預(yù)制裝配式電纜操作工井設(shè)計進行了研究，結(jié)果表明裝配式工井的連接細(xì)部處理仍有較大的優(yōu)化空間，在材料的選擇上也有不斷開發(fā)的余地。

預(yù)制裝配式混凝土電纜溝井之間存在明顯的分段連接問題，其連接節(jié)點受力形式多樣，相比傳統(tǒng)電纜溝節(jié)點的應(yīng)力狀態(tài)更為復(fù)雜，而其承載性能是保證結(jié)構(gòu)整體安全可靠的關(guān)鍵。但國內(nèi)外對預(yù)制混凝土電纜溝連接節(jié)點力學(xué)性能的研究還比較缺乏。因此，下面選擇螺栓連接預(yù)制裝配式混凝土電纜溝節(jié)點為研究對象，通過數(shù)值模擬分析了節(jié)點的力學(xué)性能和破壞特征，為電纜溝工程預(yù)制裝配化發(fā)展提供必要的技術(shù)支持。

1 有限元模型建立

1.1 模型參數(shù)

如圖1所示，預(yù)制裝配式混凝土電纜溝連接節(jié)點ABAQUS 有限元模型由兩節(jié)預(yù)制混凝土電纜溝、四塊加載墊塊、兩個鋼筋網(wǎng)及六個彎螺栓構(gòu)成，預(yù)制裝配式混凝土電纜溝-工作井連接節(jié)點有限元模型由一節(jié)預(yù)制混凝土電纜溝、一塊預(yù)制混凝土工作井側(cè)板、一塊加載鋼板、兩個鋼筋網(wǎng)及六個直螺栓構(gòu)成；鋼筋網(wǎng)部件均由縱向受力筋和橫向分布筋合并(Merge)而成，混凝土保護層厚度均為15 mm。試件具體尺寸參數(shù)如表1 所示。

表1 試件具體尺寸參數(shù) 單位：mm

圖1 預(yù)制裝配式混凝土電纜溝連接節(jié)點有限元模型

1.2 材料本構(gòu)

混凝土采用塑性損傷模型本構(gòu)模型，根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》確定受壓及受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，具體參數(shù)設(shè)置如表2 所示；鋼筋和螺栓采用雙折線彈塑性強化本構(gòu)模型，具體參數(shù)設(shè)置如表3 所示。

表2 混凝土塑性損傷模型本構(gòu)參數(shù)

表3 雙折線彈塑性強化本構(gòu)參數(shù)表

1.3 接觸定義及邊界條件

該ABAQUS 有限元模型具體接觸設(shè)置如表4所示，邊界條件參數(shù)設(shè)置如表5 所示。

表4 有限元模型接觸設(shè)置

1.4 單元類型及網(wǎng)格劃分

預(yù)制混凝土部件及螺栓均采用C3D8R 單元(C表示體單元，3D 表示三維單元，8 表示八節(jié)點，R表示Reduced 減縮積分)，鋼筋網(wǎng)采用T3D2 單元(T代表Truss (桁架單元)，3D 代表三維模型，2 代表兩個節(jié)點）；電纜溝節(jié)點有限元模型中彎螺栓與預(yù)制混凝土電纜溝核心連接區(qū)采用四面體網(wǎng)格，單元網(wǎng)格尺寸為10 mm，剩余預(yù)制電纜溝混凝土區(qū)域和其余部件以及電纜溝-工作井節(jié)點有限元模型均采用六面體網(wǎng)格，采用掃掠網(wǎng)格(Sweep)進行網(wǎng)格劃分，單元網(wǎng)格尺寸控制在20 mm 左右。

2 模型驗證

2.1 試驗概況

兩組試驗均為靜力加載，其中電纜溝節(jié)點試驗采用四點彎曲加載，電纜溝-工作井節(jié)點試驗采用單點彎曲加載。電纜溝節(jié)點試件由兩節(jié)預(yù)制混凝土電纜溝組成，預(yù)制混凝土電纜溝之間使用6個8.8 級M14 彎螺栓連接；電纜溝-工作井節(jié)點試件由一節(jié)預(yù)制混凝土電纜溝與一塊預(yù)制混凝土工作井側(cè)板組成，通過在預(yù)制混凝土電纜溝內(nèi)預(yù)埋螺紋鋼，使用6 個5.6 級M14 直螺栓將預(yù)制電纜溝與工作井側(cè)板連接。電纜溝節(jié)點試件所用混凝土強度等級為C30，28 天實測立方體抗壓強度為30.3 MPa，彈性模量為30 000 MPa；電纜溝-工作井節(jié)點試件所用混凝土強度等級為C50，28天實測立方體抗壓強度為48.1 MPa，彈性模量為33 500 MPa；鋼筋均采用直徑為8 mm 的HRB400螺紋鋼，彎螺栓實測屈服強度為408 MPa，極限強度為491.5 MPa，彈性模量為2.06×105MPa；直螺栓實測屈服強度為408 MPa，極限強度為491.5 MPa，彈性模量為2.06×105MPa。

2.2 實際試驗與有限元模擬結(jié)果對比

圖2、3 分別是電纜溝節(jié)點試件荷載-撓度曲線、電纜溝-工作井節(jié)點試件荷載-撓度曲線，由圖可以看出節(jié)點試驗與數(shù)值模擬的豎向撓度隨荷載變化趨勢大致相同，各階段荷載撓度特征值總體上吻合較好。由于在有限元分析計算時采用了螺栓預(yù)緊力，并考慮到混凝土開裂與破碎導(dǎo)致的剛度下降等，所模擬出的結(jié)果與實際測試情況的更加符合；同時，有限元計算結(jié)果跨中撓度偏大，極限荷載偏小，這是在有限元分析中沒有考慮混凝土與鋼筋的粘結(jié)滑移所導(dǎo)致的，從實際試驗來說混凝土的不均勻性及初始微裂縫等因素可能會導(dǎo)致試驗跨中撓度偏小。

圖2 電纜溝節(jié)點試件荷載-撓度曲線

圖3 電纜溝-工作井節(jié)點試件荷載-撓度曲線

由電纜溝-工作井節(jié)點試件損傷模擬結(jié)果(見圖4)與實際測試試件損傷的對比可以看出，有限元損傷模擬結(jié)果與實際測試試件裂縫的分布區(qū)域基本吻合。

圖4 電纜溝-工作井節(jié)點試件損傷模擬結(jié)果

因此，可以得出所建立的有限元模型參數(shù)選擇和模擬結(jié)果較為合理，與實際試驗情況具有一致性，可用于后續(xù)的試驗分析。

3 有限元結(jié)果分析

3.1 電纜溝連接節(jié)點有限元結(jié)果分析

3.1.1 試件受拉損傷變化規(guī)律

分析預(yù)制裝配式混凝土電纜溝連接節(jié)點受拉損傷發(fā)展的模擬過程：在加載初期，受拉損傷首先出現(xiàn)于預(yù)制混凝土電纜溝手孔附近，且預(yù)制混凝土電纜溝側(cè)板出現(xiàn)明顯的垂直主裂縫；隨著荷載的不斷增大，混凝土受拉損傷快速發(fā)展，電纜溝側(cè)板上垂直主裂縫不斷向電纜溝連接面發(fā)展，使最下層螺栓連接處出現(xiàn)明顯斜裂縫，荷載進一步增大；最終，混凝土受拉損傷遍布整個螺栓連接核心區(qū)，斜裂縫繼續(xù)擴展和延伸，導(dǎo)致電纜溝最底部混凝土被拉碎，試件發(fā)生破壞。從最終的破壞模擬結(jié)果中可以明顯看出，除螺栓連接的核心混凝土區(qū)外，其余混凝土區(qū)域幾乎沒有出現(xiàn)明顯的受拉損傷。

3.1.2 混凝土應(yīng)力分析

分析預(yù)制裝配式混凝土電纜溝連接節(jié)點有限元模型的混凝土應(yīng)力發(fā)展的模擬過程：電纜溝連接節(jié)點試件的混凝土應(yīng)力主要分布于混凝土頂部受壓區(qū)和手孔處；隨著荷載的不斷增大，混凝土頂部受壓區(qū)混凝土應(yīng)力不斷增加且向下發(fā)展，手孔處混凝土應(yīng)力不斷增加且向上發(fā)展，最終導(dǎo)致預(yù)制裝配式混凝土電纜溝頂部被壓碎。

3.1.3 鋼筋應(yīng)力分析

分析預(yù)制裝配式混凝土電纜溝連接節(jié)點有限元模型的鋼筋應(yīng)力發(fā)展的模擬過程：在加載初期，鋼筋基本處于彈性變形階段，不是荷載的主要承擔(dān)者；隨著荷載的進一步增大，中下層螺栓接觸處的鋼筋不斷屈服；同時，構(gòu)造加強筋明顯受力，而非螺栓連接區(qū)鋼筋幾乎不受力，這說明在螺栓連接區(qū)布置一定的加強筋可以有效提高試件的承載能力，而非螺栓連接區(qū)在實際應(yīng)用中可適當(dāng)減少鋼筋布置，節(jié)約成本。

3.2 電纜溝-工作井連接節(jié)點有限元結(jié)果分析

3.2.1 試件損傷變化規(guī)律

分析預(yù)制裝配式混凝土電纜溝-工作井連接節(jié)點有限元模型損傷發(fā)展的模擬過程：在加載初期，結(jié)構(gòu)整體中上層混凝土出現(xiàn)明顯的受拉損傷；隨著荷載不斷增加，混凝土受拉損傷快速發(fā)展，主要分布于預(yù)制電纜溝與預(yù)制工作井側(cè)板螺栓連接核心區(qū)，這說明預(yù)制電纜溝的螺栓孔處混凝土可能會被拉碎，而預(yù)制工作井側(cè)板45°角處混凝土可能會出現(xiàn)斜裂縫；隨著荷載進一步增大，電纜溝最上層螺栓連接處受拉損傷快速向上發(fā)展，45°角處的斜裂縫不斷擴展延伸，最終導(dǎo)致電纜溝最頂部的混凝土被拉碎。從最終的破壞模擬結(jié)果中可以明顯看出，除螺栓連接的核心混凝土區(qū)外，其余混凝土區(qū)域幾乎沒有出現(xiàn)明顯的受拉損傷。

3.2.2 混凝土應(yīng)力分析

分析預(yù)制裝配式混凝土電纜溝-工作井連接節(jié)點有限元模型的混凝土應(yīng)力發(fā)展過程：在加載初期，預(yù)制電纜溝上出現(xiàn)了明顯的混凝土應(yīng)力分布；隨著荷載的增加，預(yù)制電纜溝向下張開變形，導(dǎo)致混凝土應(yīng)力快速發(fā)展，主要分布于試件的螺栓連接核心混凝土區(qū)；隨著荷載的進一步增大，電纜溝最頂部混凝土達(dá)到極限受拉應(yīng)力，試件逐漸失效，最終電纜溝最頂部混凝土被拉碎，試件發(fā)生破壞。

3.2.3 鋼筋應(yīng)力分析

分析預(yù)制裝配式混凝土電纜溝-工作井連接節(jié)點有限元模型的鋼筋應(yīng)力發(fā)展的模擬過程：在加載前期，由于施加螺栓預(yù)緊力使螺桿受拉，進而帶動墊片擠壓預(yù)制工作井側(cè)板洞口處的混凝土及縱筋；加載初期，預(yù)制電纜溝存在向下張開變形的趨勢，試件依托螺栓加以抵抗，螺桿受拉應(yīng)力逐漸增大，并通過混凝土將荷載傳遞給鋼筋；隨著荷載的增大，試件受拉區(qū)鋼筋逐漸達(dá)到受拉極限應(yīng)力，其中靠近上部螺栓孔位置的鋼筋拉應(yīng)力最大，同時，構(gòu)造加強筋明顯受力，而非螺栓連接區(qū)鋼筋幾乎不受力，這說明在螺栓連接區(qū)布置一定加強筋可以有效提高試件承載能力，而非螺栓連接區(qū)在實際應(yīng)用中可適當(dāng)減少鋼筋布置，節(jié)約成本。

4 結(jié)論

1) 所建立的有限元模型各階段荷載位移特征、發(fā)展趨勢以及所得到的破壞性結(jié)果等均與實際試驗結(jié)果保持較好吻合度。

2) 在整個加載過程中，螺栓為荷載的主要承擔(dān)者，其技術(shù)參數(shù)對預(yù)制電纜溝井節(jié)點試件應(yīng)力和損傷分布存在較大的影響。

3) 螺栓連接預(yù)制裝配式混凝土電纜溝結(jié)構(gòu)具有較好的安全余量，該連接形式下的電纜溝結(jié)構(gòu)及其節(jié)點具有較好的力學(xué)性能，是安全可靠的。

4) 通過分析，所建立的預(yù)制裝配式混凝土電纜溝連接節(jié)點的數(shù)值模型參數(shù)選擇和模擬結(jié)果較為合理，有效并準(zhǔn)確地反映該電纜溝結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，可為后續(xù)相關(guān)研究提供參考。