装配叠合式管廊顶板位移反应规律及结构破坏形态研究

杨艳敏，葛泽森，李子根，张志新，徐 冉

吉林建筑大学 土木工程学院，长春 130118

0 引言

随着绿色建筑及建筑产业化的发展,装配叠合式管廊成为了管廊发展的新方向.易伟建等[1]人研究无腋角装配叠合式管廊表明在静载破坏条件下顶板发生剪切破坏.田子玄[2]对叠合装配式地下综合管廊节点和模块单元结构进行了试验,分析结果表明,装配叠合板式节点与现浇节点的受力性能基本相同,装配叠合式节点的整体性能良好.彭真[3]对装配式综合管廊进行静载试验,得出试件顶面发生斜拉破坏,荷载达到准许永久荷载时能满足正常使用极限状态.胡翔等[4]人对预制预应力综合管廊进行单调静力试验,研究结果表明,采用预应力筋连接的预制预应力综合管廊接头的受力过程分为消压、屈服和极限破坏3个阶段.本文开展装配叠合式管廊静载研究,由于管廊顶板表面直接受覆土荷载作用,因此拟对装配叠合式管廊顶板结构进行试验,分析顶板结构位移规律,为今后火灾试验做准备.

1 装配叠合式管廊试验设计

1.1 试件设计与制作

为探讨装配叠合式管廊火灾试验研究,开展多种数据对比分析,先进行火灾前静载实验研究.为获得更多变量反应规律,本试验采用管廊的缩尺模型进行研究.模型相似主要满足物理相似、几何相似、边界条件相似与荷载相似.

本试验管廊模型采用“似量纲分析法”确定基本参数[5],综合考虑试验仪器量程及尺寸限制,最终确定缩尺比例为1/6;管廊模型为钢筋混凝土结构,采用等强度原则进行试件设计,故弹性模量相似常数SE为1.设计腋角高度为50 mm,管廊顶板、底板及侧墙板的宽度均为500 mm,长度均为1 200 m,配筋均采用ф6@60钢筋.

依据以上设计并结合实际工程中装配叠合式管廊的建造方式,设计制作改进后的装配式管廊试验模型,根据以上设计方案进行装配叠合式管廊的制作.

1.2 加载方案的设计

地下管廊结构受其表面以上覆土荷载的作用,因此在试验中为保证实验准确性应充分模拟覆土荷载.管廊埋置深度为6 m,顶板活荷载标准值依据规范按照管廊结构覆土荷载计算方法[6],确定为10 kN/m2.本试验用均布荷载模拟上部覆土荷载,通过分级加载实现八分点加载,并用二级分配梁来等效代替覆土均布荷载[7],由于管廊结构可认为是封闭框架结构,其顶板、底板受力大小相同,方向相反,故在管廊底部设置4个钢垫块,使得顶板、底板受力对称,覆土荷载等效加载如图1所示.

(a) 静载试验加载示意(a) Loading diagram of static load test

(b) 顶板加载示意(单位:mm)(b) Roof loading diagram (Unit:mm)

试件安装就位后,先进行预加载,检查全部试验装置,并确保全部测量仪器进入工作状态,卸荷后再进入正式加载阶段,分级加载至覆土荷载设计值,待变形、裂缝稳定后,继续加载,直至结构破坏.

1.3 观测方案设计

为充分观测管廊顶板的各方向的变形选取跨中、端部截面布置4个位移计,并且为方便描述测点布置位置,规定截面方向如图2所示.位移信息利用DH 3816N静态测试分析仪采集,荷载信息使用微机控制电液伺服结构试验系统采集.

(a) 管廊截面方向(a) Section direction of pipe gallery

(b) 位移计布置(b) Displacement meter arrangement

2 试验破坏过程及结果

2.1 静载试验位移反应规律

荷载-位移曲线的形状和变化趋势是结构宏观力学性能的综合反映[8],可比较位移反应规律.为分析管廊的顶板位移反应规律,取位于顶板的1,2,3与4测点,分别为顶板跨中截面中部、跨中截面边部、顶板左端与顶板右端,各测点的荷载-位移曲线如图3所示.

(a) 测点1的荷载-位移曲线(a) Load-displacement curve of measuring point 1

(b) 测点2的荷载-位移曲线(b) Load-displacement curve of measuring point 2

(c) 测点3的荷载-位移曲线(c) Load-displacement curve of measuring point 3

(d) 测点4的荷载-位移曲线(d) Load-displacement curve of measuring point 4

由图3可知,顶板各测点的荷载-位移曲线大致可分为混凝土开裂、钢筋屈服和试件破坏等3个阶段.观察测点3与测点4表明,端部开裂荷载30 kN.整体观察4个测点图像可知,在加载初期,结构处于混凝土开裂阶段,荷载-位移曲线可大致被看作是通过原点的直线,整体处在弹性阶段.当荷载加载至130 kN时,结构进入钢筋屈服阶段,曲线出现转折点,此时顶板部分混凝土已退出工作,受拉区钢筋开始进入屈服阶段,结构位移剧增;荷载继续增大,钢筋由屈服阶段进入强化阶段,导致曲线变化较大,产生曲折段.当荷载加载至150 kN,结构位移继续增加,结构进入破坏阶段,曲线逐渐平缓,最终顶板破坏.

对比测点1与测点2可知,管廊顶板跨中截面中部与边部各阶段最大承载力均相近,但中部最终位移为16.64 mm,边部最大位移为15.16 mm,中部位移大于边部位移.

由比较测点1与测点3可知,跨中位移始终大于端部位移,最终端部位移为6.84 mm小于跨中位移,跨中最大位移约为端部位移的2.5倍.

观察测点3与测点4荷载-位移曲线可知,两测点试验结果比较接近,图像发展趋势基本一致,最终位移分别为6.84 mm与6.88 mm,大致相等.由于管廊结构对称以及加载方式对称,因此顶板两端部的荷载-位移曲线也基本一致.

2.2 装配叠合式管廊的破坏特征

加载初期,试件表面均无肉眼可见的裂缝;F=70 kN时,第一条裂缝出现在左侧墙板距底部9 cm处,宽度为0.05 mm,然后在此裂缝右上方,距底部24 cm处出现第二条裂缝,宽度为0.03 mm,两条裂缝均沿管廊试件长度方向延伸,继续加载,在试件端部、右侧墙板均出现若干细微裂缝;F=109 kN时,裂缝沿管廊试件长度方向快速延伸,如图4(a)所示,左右两侧基本一致;F=122.5 kN时,端部左下侧腋角处混凝土产生45 °斜裂缝,延伸至底板内壁;F=150 kN时,另一侧端部右下腋角处也出现斜裂缝,如图4(b)所示,裂缝宽度迅速增大;随着荷载的增大,管廊内部上壁、下壁出现大量裂缝,腋角处45 °斜裂缝逐渐变宽,底板内壁裂缝接近贯通;F=176.7 kN时,腋角处斜裂缝突然崩开,顶板预制混凝土层与后浇混凝土连接部分产生滑移,顶板钢筋外露,如图4(c)所示;腋角处斜裂缝沿预制混凝土层轮廓分布,最大裂缝宽度已达到10 mm,如图4(d)所示;顶板发生剪切破如图4(e)所示,试验结束时在墙板上产生裂缝的最大宽度为0.58 mm,如图4(f)所示.

(a) 左侧墙板裂缝(a) Left wall crack

(d) 腋角处最大裂缝宽度(d) Maximum crack width at axillary angle

(e) 顶板剪切破坏裂缝(e) Roof shear crack

(f) 墙板最大裂缝宽度(f) Maximum crack width of wallboard

3 结论

(1) 荷载-位移曲线可反映出破坏过程的3个阶段:混凝土开裂、钢筋屈服与试件破坏阶段,而顶板峰值承载力为176.7 kN.

(2) 管廊顶板跨中位移始终大于端部位移,最终顶板跨中最大位移为16.64 mm.

(3) 由于结构与加载方式均对称,管廊顶板左右两端的荷载-位移曲线基本相同,最终位移大小也基本相等.

(4) 顶板结构位移最大的位置为跨中截面中部,跨中截面端部次之,顶板端部最小.

(5) 在模拟覆土荷载作用加载至覆土荷载设计值85 kN时,管廊试件管表面均无明显裂缝,满足设计要求.最终管廊顶板发生脆性剪切破坏,墙板最大裂缝宽度为0.58 mm,腋角处最大裂缝宽度为10 mm,而破坏位置为预制混凝土层和后浇混凝土层交界处.