薛伟辰 楼小航 胡翔
同济大学建筑工程系 上海200092
综合管廊,是指建造于城市地下,并将市政、电力、通讯、燃气、给排水等至少两类以上的管线集于一体的隧道空间。并在管廊内部设有专门的检修口、吊装口和监测系统,实施统一规划、统一设计、统一建设和统一管理[1]。
目前综合管廊的施工方法主要分为现浇和预制拼装两种。与现浇综合管廊相比,预制综合管廊兼具了降低噪音、减少材料浪费、节能环保等优点。考虑到管廊整体性、防水性以及建筑工业化的要求,叠合板式拼装综合管廊拥有较好的发展前景。
预制叠合板施工工艺是20世纪90年代在德国应用并大量推广的,因其便于质量控制,建造速度快,对环境污染小,造价较低,减少模板等优势在预制剪力墙和楼板的使用中得到了广泛的关注。21世纪后,叠合结构体系被引进中国[2]。
对于预制拼装综合管廊来说,采用叠合板拼装的施工方法,可以将管廊的内外墙、顶板、底板拆分为单个预制构件,其中侧壁采用双面叠合构造,顶底板采用现浇或叠合构造[3],并在现场后浇混凝土,连接可靠,运输方便,减少了现场支模的时间,降低了施工成本。
从系统查阅的文献上来看,对于叠合板式拼装综合管廊的静力性能,哈尔滨工业大学[2]、山东大学[4]、湖南大学[5]等开展了试验研究;对于节点的抗震性能试验研究,仅中冶建工[6]开展了10个L型钢筋连接叠合板式拼装综合管廊节点的低周往复荷载试验,得出叠合节点和现浇节点的节点区按0.25%的体积配箍率配置箍筋时,可防止节点发生剪切破坏,并显著提高叠合节点的受弯承载力的结论。
总体上看,目前对叠合板式拼装综合管廊的研究相对薄弱,对于一些关键参数的影响规律尚未得到明确结论。鉴于此,本文拟以哈尔滨某叠合板式拼装综合管廊工程为背景,考虑叠合界面的影响,分别建立有腋与无腋的U型出筋连接的叠合板式管廊边节点有限元分析模型。在此基础上开展有限元参数分析,揭示腋角高度、轴压比、桁架筋伸入位置等关键参数对叠合板式拼装综合管廊边节点力学性能的影响。本文的研究成果将为我国叠合板式拼装综合管廊的应用推广及相关技术标准的编制提供参考。
本文以哈尔滨某叠合板式拼装综合管廊工程为背景,基于本文作者所在研究团队前期开展的叠合板式拼装综合管廊边节点低周往复荷载试验进行有限元建模[7]。试验模型包括预制无腋边节点试件PTC1和预制有腋边节点试件PTC2,两者的连接构造相同。试件尺寸与构造见图1,管廊节段长度取桁架筋间距600mm。节点的侧壁采用双面叠合板构造,底板采用单面叠合构造,侧壁外叶板拼缝位置与底板外表面平齐,桁架筋未伸入节点核心区。混凝土强度等级C40,钢筋强度等级HRB400。本试验采用500kN电液伺服作动器施加水平低周反复荷载,试件加载如图2所示。
图1 试件构造及尺寸Fig.1 The structure and dimensions of the test piece
图2 试件加载Fig.2 Loading diagram of specimen
有限元分析软件ABAQUS具有丰富的单元库,主要可分为实体、壳、薄膜、梁、杆、刚体、连接单元和无限元等8种[8]。本文的混凝土采用C3D8R三维八节点线性缩减积分实体单元,钢筋采用T3D2三维二节点桁架单元。
混凝土本构采用混凝土塑性损伤CDP模型[8],CDP本构参数根据材性试验的实测值进行设置。为更好地表现出混凝土材料的塑性损伤特性,在模型中设置了混凝土材料的拉伸与压缩损伤系数。本构曲线及损伤系数均参考《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中的建议曲线计算确定。综合考虑计算的精确性和分析效率,CDP模型参数取值见表1。钢筋本构采用理想双折线弹塑性模型。钢筋屈服强度和弹性模量均根据试验中钢筋实测力学性能进行设置。
表1 混凝土损伤塑性模型损伤参数Tab.1 Damage parameters of concrete damage plastic model
1.叠合界面模拟
新旧混凝土界面的准确定义是预制混凝土结构进行数值模拟的关键。对于叠合板的叠合面部分,考虑桁架筋的存在,可采用绑定(Tie)约束内外叶混凝土板的滑移。对于侧壁与底板的拼缝以及侧壁外叶板底端未伸入桁架筋的部分界面,可采用“surface-to-surface(Standard)”来模拟接触行为,接触特性由切线方向与法线方向行为构成,其中法向行为设置为“硬接触”(“hard”contact);切线行为采用“罚”函数(penalty)接触,即新旧混凝土之间的剪切力由接触力产生的界面摩擦力承担,参考相关试验的成果,可取摩擦系数为0.8[9,10]。
2.边界条件和加载方式
有限元模型的边界条件与试验条件保持一致,即节点底部一端为铰支座,一端为滑动支座。对于加载方式,为了提高有限元分析的计算效率,本文的有限元分析采用了单调静力加载方案,但通过钢筋混凝土的材料损伤模型反映了反复荷载作用下材料累积损伤的影响。
试验结果表明,边节点预制无腋U型出筋试件PTC1发生侧壁下端受弯破坏,破坏形态如图3a所示,具体表现为内叶混凝土压溃、纵筋外露,同时侧壁伸入节点的外叶混凝土板剥落,侧壁迎水面纵筋在弯折处被拉断。边节点预制有腋U型出筋试件PTC2发生侧壁下端受弯破坏,破坏形态如图3b所示,具体表现为侧壁伸入节点的外叶混凝土板剥落,侧壁迎水面纵筋在弯折处被拉断。
有限元分析结果表明,试件侧壁下端混凝土达到极限压应变,钢筋受拉屈服,底板钢筋未屈服。且有腋试件反向加载时的腋角钢筋受拉屈服,破坏形态为侧壁下端受弯破坏。节点破坏时的混凝土与钢筋应力云图如图4所示,与试验结果较吻合。需要说明的是,由于ABAQUS难以模拟荷载-位移曲线的下降段,故本文取节点试件破坏截面受压区应变达到极限压应变时认为试件发生破坏。
有限元计算的荷载-位移曲线与实测骨架曲线对比如图5所示,峰值荷载对比见表2。由表2可见,有限元计
图3 试验破坏形态Fig.3 Test failure form
图4 节点破坏时应力云图(单位:MPa)Fig.4 Stress contour of mode failure(unit:MPa)
图5 骨架曲线对比Fig.5 Comparison of skeleton curves
表2 承载力对比Tab.2 Comparison of bearing capacity
为研究此类型结构的力学性能,本文系统分析了轴压比、腋角高度、桁架筋伸入位置对节点试件破坏形态、骨架曲线和承载力的影响。腋角算的承载力与试验结果的差异不超过7.4%,说明两者吻合较好。初始刚度有限元计算结果较试验结果大,这是由于有限元模型忽略了钢筋与混凝土间的粘结滑移以及叠合面的相对滑移。该模型可用于U型出筋连接的叠合板式拼装综合管廊边节点力学性能分析。高度的取值参考常见的工程做法,本文腋角高度选取0mm、150mm、200mm、250mm。轴压比的取值主要考虑综合管廊浅埋时所受的荷载,埋深5m的管廊侧壁轴压比约为0.05,埋深12m轴压比约为0.1[9],故本文轴压比选取0、0.05、0.1。对于桁架筋伸入位置,本文选取未伸入节点核心区与伸入节点核心区。分析参数与分析计算结果见表3,其中试件编号命名规则为S-腋角高度-轴压比-0/1(0代表桁架筋未伸入节点核心区,1代表桁架筋伸入节点核心区)。
表3 有限元参数分析表与计算结果Tab.3 FE model parameters and analysis results
节点试验结果表明加腋能够显著增强管廊节点的刚度与抗弯承载力,因此本文研究了不同腋角高度对叠合板式拼装综合管廊边节点力学性能的影响。
有限元计算的边节点破坏形态均为侧壁下端受弯破坏。破坏时侧壁下端纵筋屈服,底板纵筋未屈服,反向加载时腋角钢筋受拉屈服。
图6 描述了轴压比为0,桁架筋未伸入节点核心区时,边节点腋角高度对荷载-位移曲线的影响。加腋能够提高管廊边节点的正反向承载力,且反向承载力提升效果更加明显。管廊边节点从无腋增加到h=150mm时,正反向平均承载力提升30.3%,腋角高度从150mm继续增加至250mm,平均承载力提升14.8%,可见,当腋角高度超过150mm后,对边节点承载力提升效果并不明显。
从有限元分析得到的应力、应变云图可以判断管廊节点的破坏形态均为侧壁下端受弯破坏。增大轴压比延缓了管廊侧壁纵筋的受拉屈服,反向加载时腋角钢筋受拉屈服。
图7 描述了腋角高度为150mm,桁架筋未伸入节点核心区时,轴压比对边节点荷载-位移曲线的影响。从无轴压加压至轴压比n=0.05时,正向承载力提升24.0%,反向承载力提升11.6%;加压至n=0.1时,正向承载力提升45.1%,反向承载力提升15.4%,可见,轴压比不超过0.1时,增大轴压力能够提高管廊边节点的正反向承载力,且对正向承载力提升更加明显。正向承载力较未伸入核心区的提升32.6%,反向提升22.6%。桁架筋伸入节点核心区将显著增强边节点正反向承载力,这是由于桁架筋伸入节点核心区后,外叶板与核心区粘结性能较好,伸入节点核心区的外叶板不会发生提早剥落。
桁架筋伸入节点核心区后的混凝土与钢筋应力云图见图8。可见,试件发生侧壁下端受弯破坏,桁架筋伸入节点核心区增大了侧壁下端的纵筋屈服范围,同时部分底板纵筋屈服,桁架筋腹杆屈服。
图9 描述了腋角高度为150mm,轴压比n=0时,桁架筋伸入位置对荷载-位移曲线的影响。
图6 腋角高度参数分析Fig.6 Parameter analysis of haunch height
图7 轴压比参数分析Fig.7 Parameter analysis of axial compression ratio
图8 试件S-150-0-1应力云图(单位:MPa)Fig.8 Stress contour of specimen S-150-0-1(unit:MPa)
图9 桁架筋伸入位置参数分析Fig.9 Parameter analysis of truss reinforcement entry position
1.建立的管廊边节点有限元模型在侧向加载下的破坏形态、骨架曲线和承载力与试验结果吻合较好。该模型可用于叠合板式拼装综合管廊边节点的受力性能分析。
2.增大腋角高度可以提升边节点正反向的承载力,且对反向承载力的提升更加明显。当腋角高度超过150mm后,对边节点承载力提升作用并不明显。
3.侧壁轴压比不超过0.1时,增大轴压力能够提高管廊边节点的正反向承载力,且对正向承载力提升更加明显。
4.将桁架筋伸入边节点的节点核心区将显著增强节点的正反向承载力。