预制装配式波纹钢综合管廊承载性能现场试验研究

车鸿博 童立元 刘松玉 战福军 李洪江

(1 东南大学交通学院， 南京 211189)(2 东南大学岩土工程研究所， 南京 211189)(3 南京联众工程技术有限公司， 南京 211215)

地下综合管廊是一种将各类市政管线统一敷设在其内的集约化、现代化基础结构设施，维护方便，社会经济效益明显[1].近几年我国正掀起一场前所未有的“综合管廊、海绵城市”开发热潮，其施工以明挖现浇法、预制拼装法为主，廊体材料普遍采用传统的钢筋混凝土.这种施工方法及材料属性在质量控制、施工进度、适用性、能耗、环保及经济效益等方面存在一定劣势，因此亟需探索一种新的地下综合管廊建造模式来替代传统的低效施工工艺[2-4].

在这种形势下，预制装配式建造模式成为地下空间开发利用的新型发展趋势，也是我国建筑行业创新发展的方向[5-6].其中，预制混凝土结构及预制钢结构是2种主要的装配式结构型式，而预制钢结构因适用性强、自重轻、施工快、成本低、抗震好、质量易控制、绿色环保等诸多优点，成为我国未来地下空间开发利用的主要构筑物之一[7-8].近年来，预制装配式波纹钢综合管廊在我国钢铁产能充裕、标准化设计统一、工业化生产高效、吊装拼装便利快速的大背景下逐渐得到应用，弥补了当前地下综合管廊结构材料的单一性，也是对综合管廊工程大开发、大发展的有力补充.

目前，国内外学者采用室内试验、现场试验、理论分析、数值模拟等方法对钢波纹管涵在不同地质条件、埋置深度、孔径及波形、外部荷载等工况下的力学响应及变形特征进行了大量研究，并广泛应用于公路路基通道[9-14].然而，方拱形波纹钢综合管廊由于其构造、受力、连接的特殊性，与单一的钢波纹管涵差异较大，相关研究尚不多见.仅从材料属性与结构功能方面考虑，采用强度高、适应变形能力强的波纹钢板作为廊体材料，不仅可协调地基与基础变形，而且能最大程度地减少应力集中现象，更好地发挥钢结构的优势[15-16].

鉴于预制装配式波纹钢综合管廊力学响应的复杂性，在理论分析及数值仿真模拟过程中均不能完全了解其真实的力学特性，目前在设计计算时主要采用简化的方法，且结果的可靠性受水文地质条件、动静荷载及施工工艺等因素影响较大.因此，为了反映方拱形波纹钢综合管廊在回填过程、极限载荷作用下真实的受力变形规律，检验设计计算方法的可行性及其应用的安全性，开展综合管廊承载性能现场试验具有重要的工程意义.本文通过现场足尺试验对波纹钢综合管廊板片的应变应力、接缝螺栓应力及结构变形、沉降、渗漏水现象进行测试，并分析波纹钢结构综合管廊的力学性能及变形规律.

1 试验

现场足尺试验在南京市江北新区横江大道场地进行，场区勘察深度范围内土层从上而下依次为填土、淤泥质粉质黏土、软塑～可塑黏性土、砂土.根据现场地质条件、被测试验体尺寸及覆土厚度，综合管廊基坑采用钢板桩及一道钢支撑进行支护，开挖深度为7 m，坑底浇筑厚度为0.3 m的混凝土垫层并找平.待测波纹钢综合管廊为方拱形双舱对称结构，由2节长度各为6 m的廊段组成.每个舱室由已焊接角钢的底板、侧板、顶板、舱间竖板经螺栓紧固进而压紧橡胶垫的方式装配而成，舱间填充透水混凝土，可使2个舱室形成整体结构.具体尺寸见图1，波纹钢板的波形参数见图2.

图1 综合管廊结构尺寸示意图(单位：mm)

图2 波纹钢波形参数(单位：mm)

1.1 传感器布设

现场足尺试验中运用分布式光纤传感技术进行波纹钢板的应变测试，采用布里渊光纤传感分析仪RP1005对数据进行实时采集并处理.在板片内表面波峰与波谷断面上布设光缆，光缆绷紧成直线紧密贴合在板片内表面，呈持续的S形分布，波峰与波谷断面间的连接光缆沿波纹板走势紧密贴合.对于纵向光缆，光缆分布沿波纹走势紧密贴合，且与环向光缆连接组成回路(见图3(a)).

在综合管廊装配过程中，螺栓为主要的连接构件.当结构受到载荷作用时，螺栓将产生轴向拉伸或收缩，在螺栓内部埋入NZS-FBG-A02型光纤静态应变仪监测螺栓受力情况.其中，1#～8#待测螺栓连接紧固管廊接头处的环向接缝，依次位于顶板、侧板、底板、舱间竖板的1/3及2/3位置处(见图3(b))；14#、15#待测螺栓连接紧固顶板-竖板，16#、17#待测螺栓连接紧固顶板-侧板，20#、21#待测螺栓连接紧固底板-侧板， 23#、24#待测螺栓连接紧固底板-竖板，都属于纵向接缝螺栓(见图3(c)).

(a) 波纹板光缆分布走势图

(c) 纵向接缝螺栓位置编号

(d) 舱内反光片监测点位置编号

综合管廊变形及结构沉降位移采用MS06AXⅡ型全站仪进行监测，沿结构纵向共布置6个监测面，分别位于每节廊段的起始点及中点位置，每个监测面分布16个监测点，编号为X1～X16(见图3(d)).此外，综合管廊接头处的环向接缝受环境及载荷因素影响易产生张开位移，试验中采用测缝计对该位移进行测试，测缝计布设在接头处廊段的竖板之间，编号为J1～J6(见图3(e)).

1.2 试验工况

对波纹钢综合管廊在整个回填及极限加载过程中的受力变形规律及其抗破坏性能进行现场测试.试验设计回填高度为3 m，但考虑到设计安全系数1.5，实际按顶板回填高度为4.5 m的工况进行回填试验，然后通过继续堆载混凝土块的方式代替回填土，当总覆土厚度达到10 m时进行极限破坏性试验.

现场加载时，在综合管廊结构两侧回填中粗砂，每回填0.5 m夯实1次，直至填至顶板.顶板回填时遵循以下步骤：回填0.5 m→人工夯实→回填0.5 m→人工夯实→回填1 m→机械夯实→回填1 m→机械夯实→回填1.5 m→机械夯实→堆载混凝土块使其等效于加载厚度2.5 m的密实回填土→静置一段时间→堆载混凝土块使其等效于加载厚度3 m的密实回填土.

2 试验结果及分析

本文通过现场足尺试验对波纹钢综合管廊板片的应变应力、接缝螺栓应力以及结构变形与沉降、渗漏水现象进行测试，并分析钢结构综合管廊的力学性能及变形规律.

2.1 波纹钢板应变应力

波纹钢板的应变应力由管廊结构周围的土体推力及不可忽略的板片弯矩产生.现场试验在右舱波纹钢顶板、侧板、底板、舱间竖板的波峰及波谷断面粘贴分布式光缆，采样分辨率为0.01 m.各监测面的环向应变变化趋势如图4所示，其中传感光纤长度为0时表明该点位于接头处.

(a) 顶板

(b) 侧板

(c) 舱间竖板

(d) 底板

由图4(a)可知，顶板各监测面的环向应变以正负相间的形式循环出现，表明波峰与波谷断面拉压性能完全相反，覆土厚度越大则环向应变越大，且拱顶区应变大于相应的拱脚区应变.当覆土厚度为10 m时，顶板内表面的波峰断面出现最大应变值，达2.051 ×10-3.由于波纹形结构的中性轴距波峰比波谷略远，波峰断面的应变大于相应的波谷断面应变.且纵向角钢的刚度较大，导致波纹钢板的柔度发生变化，即使在相同的有效加载区域，各断面的应变也存在差异.

由图4(b)可知，侧板各监测面的环向应变受覆土厚度的影响不明显.在保证综合管廊结构两侧回填料压实度达标的前提下，侧板的各波峰及波谷断面应变随覆土厚度的大幅增加而微量增加甚至减小，应变值主要集中在-350×10-6～450×10-6之间，拱脚处应变受角钢的影响而急剧增大，最大值为679.48×10-6.由于地下结构的拱形侧板充分利用土体-结构共同受力原理，有效增强其受力性能，因此环向应变变化缓慢，对于空间利用率要求较高的地下综合管廊，从强度的角度评价大跨径侧板受力是偏安全的.

舱间竖板及底板较为特殊，相邻的舱间竖板之间填充混凝土，形成钢-混组合墙，而底板已预制混凝土底座，且装配完成后内表面浇筑混凝土形成平面，以便于安装管线.由于混凝土抗压性能良好，竖板及底板的各波峰及波谷断面应变随覆土厚度的增加变化不显著，仅出现多个应变集中点，环向应变值主要集中在-200×10-6～300×10-6之间，如图4(c)和(d)所示.

根据应变测试结果，相应测点的应力值可表达为[17-18]

(1)

式中，E=208 GPa为钢材弹性模量；μ=0.2为钢材泊松比；εx为环向应变；εy为纵向应变.

图5为各波纹钢板内表面典型波峰断面的应力变化规律.由图5(a)可知，顶板内表面波峰受拉应力作用，应力分布呈类拱形，应力值随覆土厚度增加而增大，拱顶区增幅远大于拱脚处，顶板覆土厚度为4.5、7 、10 m时应力最大值分别为126.18、233.32、356.78 MPa.由于顶板沿纵向焊接角钢且分别与侧板及竖板连接，而侧板与竖板的刚度差异较大，因此顶板拱脚处应力变化复杂，应力最大值并非出现在顶板中点，而是偏向竖板一侧.

由图5(b)可知，侧板内表面波峰断面的应力分布总体上呈矮拱形，应力在拱顶、拱脚处相对较大，增加覆土厚度对侧板应力影响不明显，应力值集中于-60～40 MPa.当管廊结构两侧的中粗砂回

(a) 顶板

(b) 侧板

(c) 舱间竖板

(d) 底板

填完成并拆除横撑后，在侧板下拱脚处测得的最大应力为-92.58 MPa.同一断面上同时出现拉应力与压应力，说明该断面存在反弯点，但侧板的宽厚比及临界屈曲半波长相对较大，受压区不会出现局部屈曲问题，即持续加载过程中侧板稳定性未受影响.

由图5(b)可知，板内表面波峰断面的应力受顶板覆土厚度的影响不明显，应力在拱顶、拱脚处相对较大，应力值集中于-60 ～ 40 MPa.同一断面上同时出现拉应力与压应力，说明侧板存在反弯点，但侧板的宽厚比及临界屈曲半波长相对较大，受压区不会出现局部屈曲问题，持续加载过程中侧板稳定性未受影响.受侧向土压力的约束作用，侧板的强度及稳定性均未变化，由此体现了弧形波纹钢侧板良好的受力性能.同时，这类方拱形截面的地下管廊结构的内部空间远大于圆形、管拱形和梨形管，便于后期管线安装.

由图5(c)可以看出，舱间竖板的整个内表面波峰断面应力较小，分布平缓，仅在顶部出现应力集中现象.由于竖板与舱间混凝土共同形成承载性能优良的钢-混组合结构，因此载荷被混凝土部分分担，竖板应力值仅集中在-15～15 MPa之间，竖板顶部与顶板连接处测得最大应力为-57.78 MPa.综合管廊底板波峰断面应力集中点多，这是因为在底板表面的混凝土浇筑施工对传感光缆存在一定影响而且底板两端的约束刚度不一致.覆土厚度对底板应力的影响较小，当覆土厚度达10 m时测得底板最大应力为19.67 MPa(见图5(d)).由于底板处在混凝土层之间，故从强度的角度评价，底板偏于安全.

为了使波纹钢综合管廊各板片的典型波峰、波谷断面应力直观显现，各断面拱顶应力随加载工况的变化趋势见图6，加载工况见表1.可以看出，在结构两侧回填中粗砂过程中，各板片拱顶应力变化较小；拆除横撑后侧板拱顶应力增大，而其他板片应力变化有限；结构顶部覆土厚度超过1 m后，顶板拱顶应力开始显著增大，覆土厚度达10 m时，顶板外表面波峰、波谷断面的拱顶应力分别为-342.26和308.09 MPa，而其他板片的拱顶应力随覆土厚度的增加变化平缓.因此，波纹钢综合管廊的力学响应主要体现在顶板上，顶板为主要的监测对象.

图6 不同板片波峰及波谷断面的拱顶应力变化

表1 加载工况

2.2 接缝螺栓应力

波纹钢综合管廊的各板片连接时采用螺栓型接缝，接缝的破坏机理复杂.纵向接缝受力取决于连接形式、材料强度及安装工艺等，环向接缝属于弯矩传递型连接，其受力与纵向地基刚度差异、覆土厚度变化等因素密切相关.目前，国内外有关波纹钢板螺栓连接的相关研究尚不多见[19].本文对典型的纵向、环向接缝螺栓的轴向应力进行了测试.

纵向接缝采用M20型螺栓进行连接，典型螺栓在整个回填加载过程中的轴向应力变化趋势如图7所示，各螺栓位置见图3(c).由图可知，连接底板与竖板的24#螺栓在覆土厚度超过7 m后轴向拉应力急剧增大，这主要受吊装混凝土块时加载速率过快及加载不平衡影响，加载完成后应力最大值达49.27 MPa，但远小于高强螺栓连接副的抗拉强度.主要原因在于：①已焊接角钢的拱形波纹板接缝连接件与板片存在一定角度，在外荷载作用下有利于连接件压紧；②连接件之间的密封材料有效增大了摩擦面的抗滑移系数，有利于发挥高强螺栓性能.对于轴向受压的螺栓，由于Q345连接件承压强度相对较高，达到590 MPa，因此受压螺栓在整个回填加载过程中偏于安全.通过分阶段加载和延长各工况间静置时间，可以加快土体固结、沉降，分散集中载荷，引起结构协调变形，有利于降低螺栓杆轴向应力.

图7 纵向接缝螺栓轴向应力变化趋势

综合管廊接头处的环向接缝采用M16型螺栓进行连接，由于管廊接头易受地基不均匀沉降的影响，故将环向接缝螺栓作为现场试验的主要监测对象.图8给出了环向接缝螺栓在整个回填加载过程中的轴向应力变化趋势，各螺栓位置见图3(b).由图可知，8#螺栓始终承受相对较大的拉应力，但均小于高强螺栓连接副的抗拉强度；在管廊结构两侧回填中粗砂的阶段，受非对称回填影响，各螺栓均出现了应力跳跃点，其中1#螺栓的最大轴向应力达到120.96 MPa，继续加载后应力趋于平稳.

图8 环向接缝螺栓轴向应力变化趋势

根据高强螺栓摩擦型连接的计算方法[19]，在螺栓杆轴方向受拉的连接中，考虑螺栓群承载力折减的单个高强螺栓抗拉承载力为

(3)

根据图8中的测试结果，可计算得到环向接缝螺栓的最大轴向拉力为

(4)

式中，σmax为最大轴向拉应力；A为螺栓的实际截面面积.

由于接头处环向接缝螺栓的最大轴向拉力远小于其抗拉承载力，因此螺栓及连接件是安全的.

2.3 波纹钢板变形及结构沉降

现场试验中采用全站仪对波纹钢板变形、结构整体沉降进行监测.顶板各测点位置见图3(d)，各测点相对变形如图9所示，回填高度以结构底板位置为原点，根据图1所示的管廊结构尺寸，回填至顶板时回填高度为3.3 m，相对变形以隆起为正，下沉为负.在管廊结构两侧回填中粗砂至顶板时，弧形顶板受侧向土压力作用而向上隆起，拱顶隆起量为0.60 mm.结构顶板继续回填加载过程中，拱顶变形由隆起转为下沉，当顶板覆土厚度分别为4.5、7、10 m时，拱顶下沉量分别为2.10、4.10、7.90 mm.由于顶板两端的约束刚度不同，与拱顶对称的监测点X14、X16的变形量也不一致.因此，顶板先隆起后下沉，拱顶处在顶板覆土厚度为10 m时产生最大下沉量7.90 mm.

图9 不同回填高度下顶板各测点的相对变形

根据目前钢结构顶板(金属板屋面)挠度容许值算法[20]，有

(5)

式中，γT为永久和可变荷载标准值产生的挠度容许值，mm；l为构件的跨度，mm.

现场综合管廊顶板的挠度容许值为13.67 mm，大于顶板拱顶处的最大下沉量.因此，从变形的角度评价，顶板是偏于安全的.

综合管廊侧板在不同加载工况下的变形趋势如图10所示，其中各测点位置见图3(d)，横坐标回填高度以结构底板位置为原点，回填至顶板时回填高度为3.3 m.由图可知，在结构两侧回填阶段，弧形侧板受侧向土压力作用而产生向内的压缩，拱顶压缩量为3.30 mm.结构顶板继续回填加载过程中，拱顶变形由向内压缩转为外拱，当顶板覆土厚度分别为4.5和10 m时，拱顶外拱量分别为0.50和4.20 mm.因此，侧板先向内压缩后向外凸出，拱顶处在覆土厚度为10 m时产生最大外拱量4.20 mm.

图10 不同加载工况下侧板的变形趋势

由于现场试验在典型的长江漫滩软土场地进行，因此波纹钢综合管廊结构的沉降变化是重要的监测内容之一.顶部覆土厚度为10 m时结构的沉降趋势见图11.沿着综合管廊结构纵向共设置6个监测面，沉降监测点均布设在底板上，如图3(d)中拱顶处X7及拱脚处X8，右舱的沉降监测点位置与左舱相似.由图可知，右舱沉降相对均匀，接头处差异沉降量为0.80 mm.左舱沉降变化明显，监测断面1和监测断面6的沉降量分别为35.40和42.50 mm，沿着纵向结构沉降持续增大，最大沉降量相差7.10 mm，但接头处差异沉降量仅为1.10 mm，表明管廊结构在极限荷载作用下主要引发整体沉降.

波纹钢综合管廊接头以栓接压紧密封垫的形式串联各节廊段，装配完成后高强螺栓产生预紧力，接头稳定闭合.当回填施工不均匀、存在局部堆载或邻近开挖卸荷时，接头发生张开移位，将影响其受力状态或密封效果.本文现场试验中利用测缝计对接头张开位移进行实时监测，其中测缝计布设位置见图3(e)，监测结果如图12所示.在管廊结构两侧回填阶段，测缝计J1的监测值急剧增大至0.25 mm，表明接头张开位移发生在上部，这是因为回填施工先后在两节廊段的侧面进行，引起侧向土压力不对称、不平衡所致.顶板覆土厚度在0 ～ 7 m的过程中，吊装堆载混凝土块存在偏载现象，加载至7 m时测缝计J1出现最大值0.43 mm，静置一定时间后土体-结构经协调变形，J1监测值逐渐降低，继续加载后接头张开量进一步减小.其他测缝计的监测值普遍较小，表明外部载荷主要影响接头上部，而加载方式、加载速率、静置时间等对管廊结构接头的影响较大.

图12 不同加载工况下接头张开位移趋势

2.4 综合管廊结构渗漏水检测

波纹钢综合管廊防渗涉及地质条件、防水材料、施工工艺、人为因素、复杂荷载等多个环节，是综合管廊运行维护阶段的主要检测内容之一.本文现场试验中，顶板覆土厚度达10 m后结构并未被破坏，因此有必要进行综合管廊渗漏水试验[21].

当卸载混凝土块后，在管廊结构顶部的回填土范围内开挖4 m×4 m×1.8 m(长×宽×深)的注水坑，注满水并保持满水状态.同时向左舱消防用注水口注水，水压保持为0.20 MPa，使水流充分分布在整个波纹钢综合管廊结构外侧.静置一定时间后，检查舱内渗漏水情况.结果表明，舱内无漏水现象，仅出现3处小面积湿渍，且单个湿渍的最大面积小于0.1 m2.

3 结论

1) 波纹钢综合管廊承载性能优越，在极限载荷(设计覆土厚度的3倍)作用下，结构仍处于正常工作状态，最大应力值为356.78 MPa.从强度及变形的角度，顶板都是重要的安全控制主体，其波峰断面应力、拱顶变形随加载进行而大幅增加.覆土厚度对其他波纹板的应力、变形影响不显著，且远小于顶板的相应监测值.

2) 装配式波纹钢综合管廊螺栓型接缝受力机理复杂.根据高强螺栓摩擦型连接的验算方法，典型螺栓受力均未达到单个螺栓的抗拉承载力，整个加载过程中螺栓及连接件未被破坏，纵向及环向接缝未出现漏水现象，且渗漏水指标达到二级防水标准.

3) 综合管廊顶板拱顶处变形量最大，覆土厚度为10 m时变形达7.90 mm，接头处最大差异沉降量为1.10 mm，均满足现有钢结构设计标准及技术规范.

4) 装配式波纹钢综合管廊的安全运营应充分考虑地质条件、施工工艺、结构强度及变形要求、外观表象等.因此，在综合管廊服役期需持续对典型廊段进行监测.

致谢特别感谢南京大学、江苏省建筑工程质量检测中心有限公司及南京联众工程技术有限公司的鼎力支持.