付偉慶 李 茂 王 鑫 黃 劍 王 建

(1.青島理工大學土木工程學院, 山東青島 266033; 2.藍色經(jīng)濟區(qū)工程建設與安全協(xié)同創(chuàng)新中心, 山東青島 266033; 3.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司, 上海 200092)

地下綜合管廊作為一種近年興起的市政結構,將城市各類管線整合集中,對城市現(xiàn)代化發(fā)展有著重要的意義。[1-3]目前,綜合管廊已經(jīng)應用在了上海、雄安新區(qū)等地區(qū),[4-5]綜合管廊結構統(tǒng)一了城市管網(wǎng)規(guī)劃,減少了大量的無序開挖,使城市地下空間得到了充分應用。[6]由于山地、老城區(qū)等城市次干路、居民街道地下空間有限,無法鋪設大型綜合管廊,造成了大面積的城市架空線,極大影響了城市形象。[7-8]纜線管廊作為城市綜合管廊“神經(jīng)末梢”,其具有尺寸較小、埋深較淺、施工便捷等優(yōu)點,被廣泛應用于上述施工和交通不便區(qū)域。[9]

目前大多數(shù)研究工作主要針對主線綜合管廊的整體性能表現(xiàn),Han等對考慮結構-土相互作用的綜合管廊在有無接頭連接情況下的地震響應進行了研究;[10]Ding等對設有接頭的管廊結構進行了振動臺試驗研究;[11]Qian等對綜合管廊結構的抗爆性能進行了數(shù)值計算研究;[12]岳慶霞等建立了三維綜合管廊模型,探討了軸向地震動輸入下的結構響應和行波效應對管廊的影響。[13]蔣錄珍等對非一致地震激勵下的綜合管廊接頭響應進行了數(shù)值模擬研究。[14]不同于主線綜合管廊,排管式纜線管廊由于其構造特殊,須將管線從管道中穿過,因此對整個管道的平整度有著較高的要求。[15]但通常由于場地不平整或施工問題,纜線管廊接頭處容易產(chǎn)生錯位和彎曲,導致纜線損傷甚至無法穿過。為解決此問題,纜線管廊接頭處通常采用預應力鋼絞線拉接,[16-17]但對其接頭受力性能未見相關研究。接頭變形過大或局部破壞都會造成廊內(nèi)滲水和纜線破壞,進而影響管廊的正常使用。

基于上述情況,將對不同預應力鋼絞線張拉方式和預應力值下的纜線管廊接頭性能開展有限元分析,并基于有限元分析結果,對預應力纜線管廊接頭抗彎、抗剪性能進行足尺試驗驗證,為預應力排管式纜線管廊設計和工程應用提供參考。

1 預制排管纜線管廊接頭性能有限元分析

對于預制裝配管廊,鑒于經(jīng)濟性和運輸便利性等原因,須考慮鋼絞線張拉方式和預應力值對接頭抗彎剪性能影響。因此,先采用有限元計算法對相關參數(shù)影響進行研究分析。

1.1 有限元建模及參數(shù)設置

計算選取實際工程排管纜線管廊,截面尺寸及配筋如圖1所示。其中,混凝土強度等級為C40,鋼筋采用HRB400筋,縱筋直徑為12 mm,箍筋直徑為10 mm,箍筋間距為150 mm,端部箍筋進行加密,間距為100 mm。管廊左、右兩側各設6個和4個外徑分別為110,180 mm的聚氯乙烯(PVC)管套,用于隔離和支承纜線。PVC管枕間隔置于管廊長度范圍內(nèi),用于固定PVC套管。管廊節(jié)段長度取2.1 m,單節(jié)管廊之間沿長度方向通過預應力鋼絞線進行緊固連接。所建立的ABAQUS有限元模型見圖2。

圖1 排管管廊截面 mm

圖2 有限元模型

考慮經(jīng)濟性原因,連接兩節(jié)管廊的預應力鋼絞線并非通長布置,而是在管廊側壁設有手孔(圖2,手孔尺寸為100 mm×100 mm×100 mm),用于預應力鋼絞線的穿線和張拉。工程中一般采用在管廊側壁上、下對稱設置的鋼絞線進行四點或管廊側壁中部設置單根鋼絞線進行兩點張拉兩種方式(圖3)。

圖3 抗彎性能加載布置 mm

在有限元模型中,混凝土采用實體單元建模,采用六面體和楔形單元,單元等效全局尺寸為40 mm,力學模型采用軟件自帶的混凝土損傷模型[18];鋼筋與鋼絞線采用桁架單元,單元等效全局尺寸為80 mm,鋼筋選用GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》中推薦的無明顯屈服點彈塑性本構模型,如表1所示。鋼絞線采用公稱直徑為15.2 mm的鋼絞線,預應力采用降溫法[19]施加,具體參數(shù)見表2。鋼筋與混凝土間采用Embed約束進行耦合,兩節(jié)管廊之間設為接觸,摩擦系數(shù)為0.8,其余部分設為0.3。鋼絞線兩端使用錨固端與混凝土接觸,鋼絞線采用多點約束與錨固端連接。

表1 鋼筋物理力學參數(shù)

表2 鋼絞線材料參數(shù)

1.2 接頭抗彎分析

按照圖3所示加載布置對不同參數(shù)下預制纜線管廊接頭抗彎性能進行分析,其中,圓形鋼棒在有限元分析中設置為剛體,lss為預應力鋼絞線長度。抗彎剛度定義為接頭處發(fā)生單位轉角所需彎矩。[20]

采用位移加載模式,圖4為不同鋼絞線長度纜線管廊在兩種鋼絞線布置下的荷載-位移曲線,其中預應力均設為117 MPa。

a—四點張拉; b—兩點張拉。

從圖4a可以看出:對于四點張拉管廊,其荷載位移曲線共分為4個階段,第一階段,兩節(jié)管廊接頭處未分開,接頭剛度與連續(xù)截面剛度相同;第二階段,兩節(jié)管廊接頭處產(chǎn)生縫隙,預應力逐漸減小,鋼絞線應力不斷增大,兩組鋼絞線和受壓區(qū)混凝土提供接頭處的接頭抗彎剛度;第三階段,下部鋼絞線屈服,接頭抗彎剛度降低,此時抗彎剛度僅由上部鋼絞線和受壓區(qū)混凝土提供;第四階段,兩組鋼絞線均進入屈服階段,接頭抗彎剛度僅由混凝土提供。

圖4b為兩點張拉結管廊。由于只設有一組預應力鋼絞線,僅包含第一、二和四階段。同時,由于此加載工況下,接頭處混凝土受壓區(qū)較小,且距轉動中心較近,因此在第二、三階段鋼絞線貢獻了主要的接頭截面抗彎剛度,且設有不同長度鋼絞線的管廊結構,在相同加載位移下其鋼絞線拉伸量Δl相同。

Δl=NL/(EA)

(1)

式中:N為鋼絞線軸力;L為鋼絞線長度;E為鋼絞線彈性模量;A為鋼絞線面積。

因此,由式(1)可知:伸長量Δl相同的情況下,鋼絞線長度L越長,鋼絞線軸力N越小,即在相同加載位移情況下(相同伸長量Δl),鋼絞線越短,產(chǎn)生單位轉角所需要力越大,表現(xiàn)為截面抗彎剛度越大。同時,鋼絞線較短,受壓區(qū)混凝土會在管廊整體變形較小的情況下被壓碎,因而結構整體變形小,整體上表現(xiàn)為延性較差。而鋼絞線越長,則表現(xiàn)出更低的抗彎剛度和較好的延性。因此,鋼絞線長度即手孔間距,須綜合考慮截面抗彎剛度和延性要求確定。

鋼絞線預應力大小也是管廊施工時必須考慮的因素,文獻[21]討論了盾構隧道管片無襯墊接頭抗彎剛度,并推導出相關算式,提出增大預應力會提高抗彎剛度的結論。圖5為不同預應力大小對接頭截面抗彎剛度的影響。從圖5b中可看出:由于預應力大小不同,在最初的消壓階段,預應力越大,曲線斜率越大,即抗彎剛度越大,由消壓階段進入第二階段的臨界荷載也就越大。當接頭處產(chǎn)生縫隙,即消壓階段完成后,接頭處由受壓區(qū)混凝土和鋼絞線承擔荷載,此時預應力對抗彎剛度影響不大。

1.3 接頭抗剪分析

圖6為抗剪性能分析加載布置方案?？辜魟偠榷x為接頭處發(fā)生單位錯動所需的剪力。[22]圖7為預應力相同情況下(117 MPa),不同長度預應力鋼絞線對接頭抗彎剛度的影響。

圖6 抗剪性能分析加載布置 mm

a—四點張拉荷載-位移曲線; b—兩點張拉荷載-位移曲線; c—四點張拉抗剪剛度-接頭錯動量曲線; d—兩點張拉抗剪剛度-接頭錯動量曲線。

從圖7a、 圖7b可以看出:荷載-位移曲線存在兩個階段,第一階段兩節(jié)管廊未產(chǎn)生相對錯動,截面剪力小于其靜摩擦力,表現(xiàn)為較大的抗剪剛度;第二階段兩節(jié)管廊產(chǎn)生相對錯動,截面剪力大于其靜摩擦力,表現(xiàn)為較小的抗剪剛度。從圖7c、 圖7d可以看出:隨著接頭錯動量的增大,管廊接頭的抗剪剛度不斷增大,且鋼絞線越短,其抗剪剛度越大。這仍可以通過式(1)進行解釋,同時,由于多設置一組預應力鋼絞線,四點張拉的第一階段臨界荷載和抗剪剛度為兩點張拉的兩倍。

圖8、圖9為四點張拉纜線管廊在不同預應力值和不同接頭截面摩擦系數(shù)下的抗剪剛度變化曲線。

a—荷載-位移曲線; b—抗剪剛度-接頭錯動量曲線。

從圖8可以看出:增大預應力可以有效提高管廊接頭第一階段的抗剪臨界力,使結構保持在第一階段高剪切強度范圍內(nèi),但對第二階段抗剪剛度影響較小。從圖9可知:增大接頭截面摩擦系數(shù)既能夠提高接頭第一階段抗剪臨界力,同時也可增大第二階段的抗剪剛度。可見,選取合適的鋼絞線預應力值,并在接頭表面增加高摩擦墊片可以有效提高管廊接頭抗剪剛度。

2 排管纜線管廊構件制作和試驗方案

2.1 構件參數(shù)設計和預應力張拉

為驗證有限元分析結果正確性,考慮實際工程結構尺寸和試驗條件,并根據(jù)以上接頭受力性能分析結果,選取單節(jié)長度為1 m的足尺纜線管廊進行試驗,鋼絞線長度為2 m。增設防水措施對接頭受力性能有影響,為簡化問題,管廊接頭處未放置柔性防水材料,構件參數(shù)及鋼絞線布置見表3。

表3 管廊構件參數(shù)

構件中預應力孔道直徑為30 mm,預應力鋼絞線采用與表2相同參數(shù)鋼絞線。使用液壓空心千斤頂,采取后張法對鋼絞線進行張拉,張拉后孔道不進行灌漿處理,采用耐腐蝕油脂進行防腐處理,張拉控制應力設為60 MPa。由有限元分析結果可知,鋼絞線的預應力對結構的抗彎剛度和抗剪剛度影響較小。因此,選取較小的張拉控制應力。在此參數(shù)設置下,抗彎、抗剪性能試驗均可在較小荷載下觀察到接頭張開和錯動情況。圖10為鋼絞線張拉示意。

圖10 鋼絞線張拉示意

2.2 試驗布置

根據(jù)構件尺寸結合有限元計算結果,設計如圖11所示的試驗加載布置方案。為了統(tǒng)一支座和加載梁處的局部壓力和加載點的面積,在加載梁和下部支座處增加寬為50 mm的鋼板作為墊板。

a—抗彎加載; b—抗剪加載。

2.3 加載制度和數(shù)據(jù)采集

試驗采用液壓千斤頂進行單調靜力加載,使用ZBD-A-100噸力傳感器結合東華DH3816N靜態(tài)應力測試分析系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。采用分級加載制度,每級荷載持時3 min,待構件變形及各項讀數(shù)穩(wěn)定后,采集數(shù)據(jù)并記錄試驗現(xiàn)象,觀察構件變形情況以及裂縫開展情況。在正式加載前,對構件進行預加載,以消除各部分不均勻接觸對試驗結果的影響。

為監(jiān)測管廊在試驗中的變形情況,采用直線位移傳感器監(jiān)測不同位置的位移和變形。傳感器布置如圖12所示。對于抗彎性能試驗,傳感器①、②、③、④、、、、測量管廊水平方向位移,輔助計算和驗證管廊接頭處轉角;傳感器⑤、⑥測量管廊頂部中央豎向位移;傳感器⑧、⑨、⑩、測量管廊左、右結構底部兩側的豎向位移;傳感器⑦、測量管廊接頭張開量。

a—MCT-1、MCT-2縱視圖; b— MCT-1、MCT-2橫視圖;c—MCT-3縱視圖; d— MCT-3橫視圖。

3 管廊接頭受力性能試驗及有限元模型驗證

3.1 抗彎性能試驗結果和分析

對MCT-1、MCT-2構件進行不同張拉方式下接頭抗彎試驗。圖13、圖14分別為MCT-1和MCT-2試驗結果時程曲線。由于GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》[23]中規(guī)定了拼縫外緣最大張開量限值為2 mm,同時考慮到試驗研究目的和實施安全,未進行大變形下的破壞性能試驗。

a—加載時程曲線;b—頂部豎向位移時程曲線;c—接頭張開量位移時程曲線;d—底部豎向位移時程曲線。

a—加載時程曲線; b—頂部豎向位移時程曲線; c—接頭張開量位移時程曲線; d—底部豎向位移時程曲線。

從圖13、圖14可見:兩構件不同位置的位移趨勢、大小均吻合較好,構件加載中未發(fā)生偏轉現(xiàn)象,所得結果能夠較好反映構件接頭抗彎性能。

圖15為兩構件試驗和有限元計算的位移-荷載曲線?？梢?有限元結果與試驗結果吻合較好,驗證了在抗彎工況下的有限元建模與分析的正確性。同時,相比于MCT-1構件,采用4根鋼絞線的MCT-2構件在相同加載位移下須施加更大的荷載,因此擁有更大的抗彎剛度。

a—MCT-1; b—MCT-2。

圖16為兩構件上部混凝土受壓區(qū)壓裂現(xiàn)象?？梢?MCT-1由于預應力的布置和數(shù)量設置原因,抗彎剛度較小,相同荷載下產(chǎn)生較大變形和接頭轉角,因而對受壓區(qū)混凝土造成更大的壓力分量。最上部混凝土延構件截面方向出現(xiàn)粉碎現(xiàn)象,受壓區(qū)域產(chǎn)生斜45°裂縫。MCT-2構件由于擁有更大的抗彎剛度,單位荷載產(chǎn)生轉角較小,因而混凝土受壓區(qū)產(chǎn)生裂縫所需荷載更大。

a—MCT-1試驗加載前、后; b—MCT-2試驗加載前、后; c—MCT-1有限元計算損傷區(qū)域; d—MCT-1有限元計算損傷區(qū)域。

3.2 抗剪性能試驗結果和分析

MCT-3構件接頭的抗剪性能試驗曲線如圖17所示?？芍?在試驗開始后的前1 600 s,構件位移為同向,兩單體構件之間產(chǎn)生相對變形,由于接頭截面靜摩擦大于荷載造成的剪力,荷載增大迅速。隨著荷載繼續(xù)增大,兩單體構件產(chǎn)生了相對位移,此時荷載增大不明顯。

a—加載時程曲線; b—支座豎向位移時程曲線; c—頂部錯動時程曲線; d—底部錯動時程曲線。

圖18、圖19分別為MCT-3試驗結果與有限元結果的對比?？梢?在加載初期,構件整體下移,接頭處的靜摩擦力大于荷載所施加的剪力;當加載位移為1.2 mm時,荷載造成的剪力大于接頭靜摩擦力,左、右結構出現(xiàn)相對錯動,剪力等于接頭動摩擦力;同時,由于預應力孔道與鋼絞線有著15 mm的空隙,當錯動量大于15 mm時(加載位移為5 mm時),預應力鋼絞線受剪,導致荷載急劇增大。

a—荷載-位移曲線; b—接頭錯動量-剪力曲線。

a—試驗構件加載前后變形; b—有限元計算。

以上針對接頭抗彎剪性能的有限元計算與試驗結果吻合均較好,驗證了之前有限元建模和分析的正確性。

4 結束語

通過對預應力鋼絞線連接排管纜線管廊的有限元和足尺試驗研究,得到以下結論:

1)預應力鋼絞線長度對裝配纜線管廊的接頭抗彎性能影響顯著,鋼絞線越長,接頭抗彎剛度越低,延性越高。反之,鋼絞線越短,表現(xiàn)為較高的抗彎剛度和較低的延性。同時,設置多組預應力鋼絞線的纜線管廊可在較大位移下仍保持較高的抗彎剛度。

2)裝配式纜線管廊的抗剪性能與鋼絞線根數(shù)、長度,預應力大小及截面摩擦力均有關。增設鋼絞線根數(shù)和提高預應力,可提高纜線管廊在接頭發(fā)生錯動前的承載力;而減小鋼絞線長度和增大截面摩擦力,可增大纜線管廊在接頭發(fā)生錯動后的抗剪剛度。

3)預制裝配預應力排管式纜線管廊的接頭抗彎、抗剪試驗與有限元分析結果吻合性較好,驗證了有限元建模方法和分析結論的正確性。