预制装配式地下连续墙横向连接接头分析与设计

陆晨，宋卫华，朱蕾 （上海申通地铁集团有限公司，上海 201103）

0 前言

预制地下连续墙既可用作基坑围护结构挡墙又可用作内部结构侧墙，可实现设计标准化、生产工厂化、施工装配化、质量可视化，符合建筑工业化发展趋势。

目前，国内预制地下连续墙有应用实例[1-5]，然而装配式预制地下连续墙实施案例较少，其结构形式、连接方式等关键技术尚处于研究和探索中。已有的文献重点集中于墙幅间竖向分幅连接接头的研究，而上、下分节间横向连接接头的研究较少。王卫东等[6]介绍了一种应用于现浇地下连续墙的预制钢筋混凝土接头方桩分节连接接头。此接头采用外贴钢板连接工艺，然而该做法适合应用于长细比较大的杆构件，无法直接应用于地下连续墙这种长细比、宽厚比均较大的板构件。

预制装配式地下连续墙上、下分节横向连接节点的强度、刚度及耐久性等性能直接决定了结构体系的成败。因此，本文以上海轨道交通某车站附属结构基坑围护结构为背景开展预制装配式地下连续墙应用研究，提出了几种横向分节连接接头解决方案，并从结构安全性、工作耐久性、施工便捷性等方面进行分析比选，并对横向分节连接接头力学性能进行数值模拟分析，进一步验证方案的合理性。

1 横向分节连接接头方案选择

1.1 横向分节连接接头形式

预制装配式地下连续墙横向分节连接接头需满足以下要求：①满足基坑围护结构的安全等级；②满足基坑围护结构的抗渗性；③满足基坑围护结构的耐久性。根据以上要求，并考虑施工可操作性，提出了以下五种连接节点方案，见图1～ 图 5。

图1显示的钢骨连接接头与图2显示的钢管连接接头均采用钢与混凝土组合结构形式，通过确定合理的钢骨或钢管截面尺寸及壁厚，能够满足接头承载力及刚度要求。上、下节预制地下连续墙构件浇筑时预埋钢骨或钢管连接接头，现场安装时采用栓接或焊接方法将上、下节构件连接，连接接头四周采用钢板封堵以形成接头空腔，采用自密实灌浆料填充以保证连接接头防水、防腐性能要求，同时，自密实灌浆料填充也可进一步提高连接接头抗弯性能。

图1 钢骨连接接头方案

图2 钢管连接接头方案

图3 法兰连接接头方案

图4 螺栓连接接头方案

图3显示的法兰连接接头及图4显示的螺栓连接接头参照承插式结构形式，通过合理计算对拉螺栓有效杆径及工作长度，可满足接头承载力及刚度要求。上、下节预制地下连续墙构件连接接头位置设置边缘约束构件以抵抗锚固段因应力集中导致的冲切破坏，连接接头区段内外排钢筋内力由对拉螺栓传递，水平剪力由内置钢套管或凹凸型抗剪槽传递，边缘约束构件与上下节预制构件整体浇筑成型，现场安装时在对接端面设置环氧树脂类拼缝胶，上、下节构件锚固段螺栓孔内插入对拉螺栓并施加预应力将上、下节构件连接，连接接头对接断面接缝焊接封闭以保证连接接头防水、防腐性能要求。

图5 植筋连接接头方案

图5显示了根据混凝土结构后锚固技术原理设计的植筋连接接头。采取适当的补强措施可满足接头承载力与刚度要求。上、下节预制地下连续墙构件预留足够深度植筋孔，连接接头区段内外侧预埋节点板埋件，现场安装时对接端面设置环氧树脂类拼缝胶，上、下节构件植筋孔内注入植筋胶，插入连接钢筋依靠构件自重使上、下节构件接缝吻合，焊接连接接头区段内外侧节点板以进一步提高连接接头弯剪性能。

1.2 横向分节连接接头对比研究

对上述五种预制装配式地下连续墙横向分节连接接头的设计合理性、制作简易性、安装便捷性等性能进行分析比选，以选择最可行方案。

①强度方面，五种连接接头均能够依据现行规范进行分析计算实现等强度连接。

②刚度方面，钢骨连接接头、钢管连接接头属于完全刚性连接，工作阶段变形能够与墙体构件整体变形协调；植筋连接接头属于半刚性连接，工作阶段可能发生相对墙体构件较小转动变形；法兰连接接头、螺栓连接接头属于铰链连接，工作阶段将会发生相对墙体构件较大转动变形出现V形张口。

③钢材用量及制作要求方面，钢骨接头与钢管接头用钢量相当而钢骨接头加工更加简单，法兰接头用钢量大且加工复杂，螺栓接头、植筋接头用钢量小且加工简单。

④连接形式及可靠系数方面，植筋接头受植筋孔成活率、错孔率及植筋胶填充度等不确定性影响因素较大其可靠性较低，其余四种连接接头采用高强螺栓或电焊连接其可靠性较高。

⑤安装精度及时间方面，植筋接头精度调节冗余度较低且孔位对接时间长，钢管接头精度调节冗余度较高且对接焊接时间长，其余三种连接接头精度调节冗余度较高且螺栓安装时间较短。

⑥止水措施方面，钢骨接头与钢管接头外侧采用钢板封闭，空腔内进行填充注浆可有效保证接头止水性能，其他三种接头接头端面涂结构密封胶并辅以其他措施，但因其非完全刚性连接，接头发生转动变形后容易出现开口而影响接头止水性能。

根据上述分析，将各连接接头性能进行对比，如表1所示。

根据对比分析，钢骨连接接头最符合“结构安全性、工作耐久性、施工便捷性”的要求，因此针对钢骨连接接头开展进一步研究分析。

连接接头性能对比分析 表1

2 横向分节连接接头力学性能数值模拟分析

2.1 研究背景

以上海轨道交通某车站附属围护结构为背景展开预制装配式地下连续墙分析研究。该附属基坑一般开挖深度10m，采用590mm厚地下连续墙作为围护结构，自上而下设置一道混凝土支撑及两道钢支撑。坑底以上以粉质黏土为主，坑底位于淤泥质黏土层，墙趾位于黏土层。本项目预制装配式地下连续墙采用钢骨连接接头方案，通过在上、下节预制构件预埋H型钢，现场安装时H型钢翼缘及腹板均高强螺栓连接，利用钢板对拼接接头进行封闭，并对内部进行注浆填充。根据预制装配式地下连续墙内力包络计算确定横向连接接头H型钢钢骨规格尺寸为 350mm×300mm×15mm×20mm，H型钢钢骨锚固段取2倍预制构件厚度，H型钢钢骨连接段长500mm。

2.2 横向分节连接接头数值分析

为了分析钢骨连接接头预制构件的受力性能，评价方案的合理性，利用有限元程序ABAQUS进行接触模型的非线性分析，将带钢骨连接接头预制构件（以下简称SCW试件）受力性能与不带连接接头预制构件（以下简称C试件）受力性能分析比较，以判断方案可行性。

同时，对比分析带钢骨连接接头空腔段不填充（SCW试件）与带钢骨连接接头空腔段填充（以下简称SCWF试件）力学性能差异，以分析钢骨接头空腔段注浆填充处理后对钢骨连接接头承载能力以及刚度的贡献程度。

2.2.1 分析模型建立

图6 双线性随动强化本构

图7 混凝土受压塑性段本构

图8 混凝土受拉塑性段本构

图9 不带钢骨连接接头（C试件）实体

图10 不带钢骨连接接头（C试件）钢筋

图11 带钢骨连接接头（SCW试件）实体

图12 带钢骨连接接头（SCW试件）钢筋

图13 带钢骨连接接头（SCWF试件）实体

图14 带钢骨连接接头（SCWF试件）钢筋

模型中钢筋、钢材、栓钉、螺栓的单轴本构关系采用服从相关流动法则及mises屈服准则的双线性随动强化本构模型，材料应力应变曲线采用单向拉伸试验实测值，其关系式如图6所示。

混凝土采用《混凝土结构设计规范》（GB50010）中提供的混凝土标准应力应变曲线模拟混凝土的非线性行为，采用ABAQUS提供的塑性损伤模型（CDP）来模拟，取塑性段的材料模型如图7和图8所示。

混凝土、H型钢、螺栓、栓钉、端板及连接板部分均采用三维八节点线性实体单元C3D8R模拟，钢筋则采用两节点线性桁架单元T3D2单元模拟，钢筋和嵌入混凝土中的H型钢采用embed连接方式，即不考虑钢筋和型钢与混凝土之间的粘结滑移，栓钉与H型钢的上下翼缘tie连接。

2.2.2 模型分析结果

本次分析采用位移增量加载的模式来求解结构的极限承载力，并以有限元计算不收敛作为达到极限破坏状态的判断标准。不同试件的位移-荷载曲线如图15所示。

由图15可知，与C试件相比，SCW试件弹塑性范围内刚度有所损失而承载力有较大提高，但能够满足试验构件承载力及变形设计要求，SCWF试件弹塑性范围内刚度及承载力均有大幅度提高。

图15 试件位移-荷载曲线汇总图

各试件加载至15mm位移时，混凝土应力、钢筋应力及钢骨应力情况如图16～图26所示。

从混凝土应力分析结果可判断，SCW试件与SCWF试件均存在局部刚度突变引起的应力集中现象，但SCW试件最大应力发生在跨中区域且与C试件应力状态趋于一致；而SCWF试件最大应力发生在钢骨锚固端部且跨中区域应力大于C试件与SCW试件。

从下排钢筋应力分析结果可判断，SCW试件钢骨先于下排钢筋屈服而SCWF试件钢骨后于下排钢筋屈服；而C试件与SCWF试件下排钢筋屈服形态趋于一致。

从1m处箍筋分析结果可判断，SCW试件与SCWF试件1m处箍筋应力明显小于C试件1m处箍筋应力，SCW试件与SCWF试件剪应力主要由钢骨承担。

图16 C试件混凝土应力云图

图17 C试件下排钢筋应力云图

图18 SCW试件混凝土应力云图

图19 SCW试件下排钢筋应力云图

图20 SCW试件混凝土应力云图

图21 SCWF试件下排钢筋应力云图

图22 C试件支座1m处箍筋应力云图

图23 SCW试件支座1m处箍筋应力云图

图24 SCWF试件支座1m处箍筋应力云图

图25 试件SCW连接接头钢骨应力云图

图26 试件SCWF连接接头钢骨应力云图

从钢骨连接接头分析结果可判断，钢骨连接接头采用摩擦型高强螺栓连接方式，荷载作用下SCW试件钢骨与连接板间拉压力大于摩擦力后发生相对滑移，高强螺栓抵住螺栓孔后钢板受压屈服，而SCWF试件钢骨与连接板被注浆填充料包裹未发生相对滑移，钢骨锚固端部应力集中出现屈服。

3 结论

本文以上海轨道交通某车站附属围护结构为背景开展预制装配式地下连续墙应用研究，从结构安全性、工作耐久性、施工便捷性等方面进行分析比选，提出预制装配式地下连续墙钢骨连接横向接头方案，并采用数值模拟方法，对钢骨连接水平接头力学性能进行分析，得到如下结论：

①本文提出的钢骨连接横向连接接头方案，能够解决大深度预制装配式地下连续墙运输及安装问题，同时通过合理构造设计，可满足横向连接接头抗渗性能及耐久性能要求；

②钢骨连接接头空腔段若不注浆填充，与无接头预制构件相比，弹塑性范围内刚度有所损失而承载力有较大提高，但能够满足构件承载力及刚度要求；

③钢骨连接接头空腔段注浆填充后，其承载力及刚度均大于不带钢骨连接接头预制构件，同时钢骨及连接板内力分配明显降低，可充分考虑钢骨对构件整体抗弯刚度的贡献。