结构分割转换工法结构组合梁可行性研究

程 鹏， 高 毅， 于少辉， 李 洋

(中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州 450016)

0 引言

随着我国城市的发展，地面空间越来越难以满足现阶段的需求，城市地下空间亟待合理的开发利用。在城市地下空间开发过程中，明挖法、浅埋暗挖法、盾构法、顶管法等工法都存在施工风险高、环境影响大、适用条件受限等弊端。而结构分割转换工法(structural cut and convert method，简称“CC工法”)作为最新的工法成果，结合CRD工法分割、暗挖的理念，以及日本Harmonica工法分部施工、受力转换的思想，特别适用于在城市已建成区的地下空间开发。

一般情况下，CC工法建造的地下空间的主体结构顶纵梁采用型钢箱梁。目前，型钢箱梁设计时常面临着是否考虑与混凝土顶板形成组合结构协同受力的问题。如不考虑，将导致梁高增大，造价增加； 如考虑，梁高减小，但其安全性尚需讨论。为此，国内外学者针对该类情况组合结构进行了大量研究。文献[1-2]研究了钢与混凝土组合结构黏结层的剪力特性，总结了黏结层的临界应变及其锚固长度对组合结构的影响； 文献[3]利用有限元模拟分析了钢与混凝土组合梁的力学行为，总结出该类组合结构的破坏特征； 文献[4]通过在试验中考虑梁的剪切变形，分析了界面滑移效应对组合梁的影响； 文献[5-6]基于变分方法，建立了以挠度和轴向力为基本未知量的组合梁挠度方程，论述并提出了边界条件，并对比分析了简支梁一阶与二阶近似理论的差异，最终给出了组合梁柱二阶分析的近似方法； 文献[7]通过对组合梁弯曲变形过程黏结层滑移效应进行深入分析，研究了黏结层特性对组合梁的受力的影响。总体而言，现阶段针对组合结构的试验或有限元分析研究，多假定2种材质均为整体性较好的连续性材质，主要研究了不同材质界面的受力特点及作用机制，且其研究对象多为地面建筑或大跨度公路桥组合结构梁，但针对地下结构中混凝土板+钢箱梁的组合结构的研究较少。

由于CC工法的特殊性，其组合结构的混凝土翼缘是相对独立的管片，与常规的组合结构相比受力更加复杂。因此，本文在原有研究的基础上，依托CC工法的首次工程试验，研究CC工法顶纵梁型钢箱梁与混凝土顶板按协同受力的组合结构进行结构设计的可行性，以期为类似工程的设计、施工提供设计思路和优化方向。

1 CC工法原理

采用机械化施工代替传统劳动密集的人工施工是地下工程施工的趋势，但现有的盾构、顶管机机械施工技术，无法一次掘进就完成地下停车场、地下综合商业体等大型地下空间工程。CC工法针对大型地下空间工程的标准断面，分割为易于施工的小型断面，多次掘进施工，完成各条单个隧道后，再转换成大型的地下空间。

CC工法可借用某单层3跨的结构对该工法的原理和特点进行阐述。取该结构的标准断面进行分析，根据结构的特点，可把结构分割成如图1所示的形式。

图1 结构分割

把分割后结构与临时结构组成特殊管片结构来完成分部结构的施工，如图2所示。

图2 结构转换(Ⅰ)

各隧道施工完毕后，在内部空间施作梁柱等结构体系，形成最终结构，如图3所示。

图3 结构转换(Ⅱ)

采用 CC工法对结构进行分割，使其能满足盾构或顶管分部施工的条件，再把各分部结构转化为最终需要的空间。

2 对实际工程的思考

在中铁工程装备的地下停车场项目中，科研团队对CC工法进行了首次验证，该停车场项目为地下单层5柱6跨的框架结构。整个项目建设过程仅占用2个工作井，共用时8个月。地下车库的结构断面如图4所示。

图4 地下停车场标准断面图

该项目首先采用组合式管节完成各分部结构的施工，形成地下停车场的轮廓，再在内部施作型钢梁、柱。组合式管节如图5所示。

内部纵梁虽然为钢结构箱梁，但设计未考虑混凝土翼板的组合作用，按独立钢梁进行计算。在实际施工过程中存在以下问题：

1)钢梁的计算截面过高。整个车库的净高受制于梁高，为满足净高要求，需增大结构断面。

2)工序繁琐。钢箱梁现场拼接时，存在大量的腹板、翼缘焊接工作。

3)施工工效低。钢梁上翼缘的对接焊缝为仰焊施工，施工难度高，施工效率低。试验工程中梁、柱施工如图6所示。

鉴于以上问题，在实际设计过程中，能否参考叠合结构，即二次施作的型钢梁与先施作的混凝土顶板按组合梁设计，是一个值得探讨的问题。若设计为叠合结构，可优化型钢尺寸，节省工程投资。

(a)

(b)

(a)

(b)

3 组合梁的构造特点

钢与混凝土组合梁混凝土翼缘与钢梁接触面之间存在纵向剪力，要保证混凝土与钢梁共同工作，必须保证二者不发生相对滑移，因此在接触面要设置抗剪连接件，主要用来承受钢筋混凝土翼板与钢梁接触面之间的纵向剪力，控制二者之间的相对滑移。常见的组合梁形式见图7。

(a) 混凝土组合梁

(b) 型钢板组合梁

(c) 叠合板组合梁

针对组合梁的受力机制，文献[8]建立了组合梁的一阶和二阶控制方程，分析了压弯状态下的简支组合梁的力学特性；文献[9]对钢-混凝土组合梁在界面滑移与剪切变形双重影响下的变形与应力进行了研究; 文献[10]对组合梁钢与混凝土板之间相对滑移和栓钉受力的关系进行了深入研究;文献[11]基于组合梁的一维数学模型，研究了均布载荷作用下简支条件下的挠度曲线，并与有限元解进行了对比分析;文献[12]给出了钢-混凝土组合简支梁在均布荷载作用下的挠度变形理论计算公式;文献[13]通过在组合梁的界面层设置假想的剪切薄层,依靠临界面的剪切变形模拟钢板与混凝土板之间的相对滑移,建立考虑滑移效应的钢-混凝土组合板模型,并推导其解析解。

在实际工程中，组合梁的计算方法通常分为2类：

1)如果抗剪连接件的抗剪承载力足够符合充分发挥组合梁抗弯承载力的要求。组合梁设计可按简单塑性理论形成塑性铰的假定来计算组合梁的抗弯承载能力。

2)如果抗剪连接件的设置受构造等原因影响,不能全部配置，因而不足以承担最大弯矩点和临近支座之间剪跨区段内所需的纵向水平剪力时，可采用部分抗剪连接设计[14]。

为了保证部分抗剪连接的组合梁能有较好的工作性能，在任一剪跨区内，部分抗剪连接时连接件的数量不得少于按完全抗剪连接设计时该剪跨区内所需抗剪连接件总数的50%。否则，将按单根钢梁计算，不考虑组合作用。

4 试验工程组合梁的可行性分析

组合梁的黏结层界面特性是组合梁设计的关键点。对于实际试验工程的混凝土+钢箱梁的结构形式，能否按组合梁设计，首先要分析黏结层的界面特性。

4.1 可行性分析

在实际试验工程中，永久结构的顶纵梁采用的是钢箱梁，设计过程中未考虑混凝土翼板的组合作用，按独立钢梁进行计算。试验工程的顶纵梁如图8所示。

(a)

(b)

随着用于桥梁的组合梁的发展，组合梁上翼缘已有可采用预制混凝土板或部分预制的叠合板来代替现浇混凝土板的工程案例[15]。采用预制混凝土板上翼缘可以简化施工工艺，缩短施工工期，减小施工对周围环境的不利影响。用于桥梁的组合桥梁如图9所示。

对比桥梁组合梁的特点，CC工法的纵梁与桥梁的组合梁有共同的特点：

1)组合梁的上翼缘是预制构件，通过纵向连接件连接成整体；

2)型钢梁通过抗剪键与混凝土上翼缘连接，形成整体共同受力。

根据第3节的分析，如果抗剪连接件的抗剪承载力满足或部分满足发挥组合梁抗弯承载力的要求时，可考虑混凝土翼缘的组合作用。

(a) 混凝土组合梁桥

(b) 预应力组合梁桥

型钢梁与混凝土翼板交界面的纵向剪力以弯矩绝对值最大点及支座为界限，划分若干剪跨区计算，如图10所示。各剪跨区纵向剪力

Vs=min{Aafa,fcbehc1}[16]。

(1)

式中：Aa为钢梁截面面积；fa为钢梁的抗拉、抗压设计值；fc为混凝土抗压强度设计值；be为组合梁混凝土翼板的有效宽度；hc1为组合梁混凝土翼板的厚度。

图10 剪跨区示意图

影响抗剪承载力的主要因素有螺栓的直径d、混凝土的弹性模量Ec、混凝土的强度等级fc。考虑可靠度的因素后，根据工程经验折减系数一般取为0.85，因此得到螺栓的抗剪承载力设计值

(2)

CC工法的纵梁能否按组合梁设计，需要根据预留在混凝土顶板中的螺栓刚度来具体分析(预留螺栓见图8)。如混凝土翼板预留的螺栓可以或部分满足交界面的纵向剪力，则可按组合结构设计。

4.2 关键构造措施

抗剪连接件是混凝土翼板与钢板梁共同工作的基础，它是用来承受混凝土翼板与钢梁接触面之间的纵向剪力，限制二者之间的相对滑动。抗剪连接件的形式有栓钉、螺栓、钢筋等。常见的抗剪连接件形式如图11所示。

(a) 钢筋抗剪件

(b) 型钢抗剪件

对于组合梁的钢结构部分，宽而薄的板件可能局部失稳，导致钢梁的承载力下降。因此需限制型钢梁的翼缘、腹板宽厚比。但对于板件宽厚比的限制主要是针对连续组合梁的负弯矩截面，对于正弯矩截面，钢部件以受拉为主，基本上不存在局部失稳的问题。

混凝土翼缘部分纵向的连接措施： 常规组合梁混凝土翼缘部分纵筋通长布置。由于CC工法的特殊性，混凝土翼缘为一块块独立的板，采用纵向连接螺栓连接，整体性不如现浇板和叠合板。在组合梁正弯矩区，混凝土翼缘受压，影响不大。但在负弯矩区，因混凝土翼缘传递拉力能力降低，会使整个截面的型钢受压区高度相较普通组合梁增加，型钢梁的应力增大。组合梁的法向应力分布如图12所示。

图12 组合梁截面法向应力

抗剪连接件、型钢构件的局部稳定性以及混凝土翼缘的连接措施是CC工法采用组合梁设计的关键点。

5 实际数据与理论数据对比

该试验工程纵梁的理论弯矩值如图13所示。

在确定剪跨区剪力时，比较型钢与混凝土2种材质的剪力，取其小值。对于混凝土顶板，受压翼缘的宽度可根据工程经验取为l/3(l为梁跨度)。

对于型钢，Vs=Aafa=60 400×300=18 120 kN；对于混凝土，Vs=fcbehc1=19.1×1 700×500=16 235 kN。

预埋M24螺栓的单根抗剪强度

(a) 组合梁弯矩图(整体)

(b) 组合梁弯矩图(单根梁)(单位： kN·m)

经计算可以得出，每个剪跨区需要预留的M24螺栓数为106根。每环管节顶板需要预留的螺栓数目约为30根。

在试验工程中，根据型钢纵梁的应力片，得到1组实测数据；然后与按组合梁理论计算的应力数值进行对比分析，对比结果如图14所示。

图14 顶纵梁的理论与实测数值对比

通过图14的数据可知，现场实测值与理论值的变化趋势是相同的，型钢梁按组合梁考虑是合理的。但钢梁的实测应力大于理论值，经分析有以下原因：

1)因现场顶板每环预留的螺栓为20根，作为组合梁考虑时，型钢纵梁所承担的荷载要大于理论计算。

2)混凝土顶板的整体性不强，相邻管节顶仅靠螺栓连接，其作为组合梁的翼缘的作用被削减。

3)因结构模型首跨与尾跨的支点按铰接考虑，故首跨与尾跨的实测弯矩均小于理论值。

6 结论与建议

1)CC工法实体工程中型钢纵梁未考虑混凝土翼缘的有利作用，但通过数值模拟与监测数据对比分析可知，按组合梁结构设计是可行的。

2)混凝土翼缘与钢梁接触面之间存在纵向剪力，要保证混凝土与钢梁共同工作，必须保证二者不发生相对滑移。因此，在接触面要设置抗剪连接件，主要用来承受钢筋混凝土翼板与钢梁接触面之间的纵向剪力，控制二者之间的相对滑移。

3)应采取措施防止型钢构件局部失稳。宽而薄的板件可能局部失稳，导致钢梁的承载力下降，因此设计过程中需限制型钢梁的翼缘、腹板宽厚比。

4)混凝土顶板的整体性不强，相邻管节顶仅靠螺栓连接，在负弯矩区，因混凝土翼缘传递拉力能力降低，会使整个截面的型钢受压区高度相较普通组合梁增加，型钢梁的应力增大。

5)本文未深入研究分块预制顶板对于组合梁的受力影响。在后续的类似工程中，可继续深入研究此类混凝土预制构件与型钢梁的受力机制，分析其协同变形、分块预制顶板对组合梁受力行为的影响。