预制槽型拼装综合管廊横向接头受弯性能分析*

王庆华 胡翔 薛伟辰

1.同济大学土木工程学院 上海200092

2.南通职业大学建筑工程学院 226007

引言

综合管廊是指在城市地下建造一个隧道空间，将电力、通信、燃气、给排水等市政管线收纳其中，实施统一规划、统一管理，是保障城市运行的生命线工程。预制拼装综合管廊是在工厂内分节段浇筑成型，现场采用拼装工艺施工形成整体的综合管廊，施工周期短、质量易保证、环保节能综合效益显著，是综合管廊的发展趋势［1］。预制槽型拼装综合管廊是在横截面方向分割为上下两个对拼的槽型构件，再通过预应力筋将槽型构件连接起来，无湿作业、施工便捷，一般适用于不大于4舱的多舱综合管廊。预制槽型拼装管廊的横向接头，一般设置三道防水，拼装之前在拼缝中间设置防水胶条，拼装之后在侧壁内外两侧涂覆高弹性密封胶，相应位置均预留混凝土沟槽。

预制槽型拼装管廊的侧壁横向接头是影响结构受力性能的关键部位。然而，目前关于预应力筋连接横向接头受力性能的研究较少。本文作者所在课题组［2］开展了采用预应力粗钢筋连接的预制槽型拼装管廊横向接头的受弯性能试验研究，结果表明，接头的受力过程分为消压、屈服和极限破坏三个阶段，破坏形态为预应力筋屈服，压区混凝土压碎，接头受弯刚度随外荷载的增大而减少。张铨婧［3］开展了带凹凸榫槽的预应力钢棒连接接头受弯性能的有限元分析，分析结果表明，减少钢棒间距，增加榫槽宽度和榫槽倾角均能提高接头的受弯刚度，然而有限元分析模型并没有经过试验验证。

鉴于此，本文以六盘水地下综合管廊项目为背景，基于ABAQUS有限元软件建立了预制槽型拼装管廊横向接头的受弯性能有限元分析模型，通过改变预应力大小，重点分析了拼缝界面压力对接头受弯性能的影响规律，从而为预制槽型拼装综合管廊的推广应用及相关技术标准的编制提供参考。

1 有限元建模

1.1 材料本构与单元选取

基于工程原型建立了侧壁接头受弯的有限元模型（图1）。试件长度2200mm，宽度1200m，壁厚350mm。预应力筋沿宽度方向均匀布置2根预应力钢棒，间距为600mm，沿壁厚方向居中布置。侧壁内部的防水胶条按防水细部构造建立有限元模型。

图1 有限元分析模型Fig.1 Finite element model

混凝土采用塑性损伤模型，单轴应力-应变关系按现行混凝土结构设计规范取值。塑性损伤模型中的其他主要参数，膨胀角为30°，粘滞系数为0.001［4］。

钢筋本构采用弹塑性双折线模型。钢筋的强度和弹性模量均根据试验实测值进行设置。防水胶条按线弹性材料考虑，本文取5MPa。

有限元模型中的预应力筋和普通钢筋均采用线性桁架单元T3D2，混凝土和防水胶条均采用C3D8R实体单元。钢筋与混凝土之间以嵌入方式模拟二者间的粘结。混凝土和防水胶条的网格尺寸为40mm，预应力筋和普通钢筋为25mm。

1.2 关键问题处理

预制拼缝面是预制结构有别于现浇结构的重要特征之一。本文拼缝面的处理采用在对应接触面上设置“表面与表面接触”的相互作用。接触属性的设置，法向为“硬接触”，且允许接触后分离，切向摩擦系数取0.8。考虑到防水胶条的弹性模量较小，两侧混凝土与其的界面接触属性设置为绑定，设置初始应力以反映防水胶条的界面压应力。

通过对预应力筋单元设置热膨胀系数，再降低温度使预应力筋单元发生“冷缩”，进而对接头拼缝面及混凝土进行预压，实现预应力的施加。

2 有限元模型试验验证

2.1 试验概况

以六盘水地下综合管廊项目为背景，对预制槽型拼装综合管廊侧壁横向接头的受弯性能进行了试验研究［5］，工程原型示意如图2所示，试件配筋如图3所示。混凝土强度等级为C40，预应力筋采用1080／1230（屈服强度标准值／极限强度标准值）预应力钢棒，张拉控制应力取为0.75倍的极限强度标准值，普通受力筋采用HRB400级钢筋。试件加载示意如图4所示，加载装置如图5所示。加载点位于侧壁的外侧，以模拟土压力荷载。

图2 工程原型示意Fig.2 Schematic diagram of engineering prototype

图3 试件配筋Fig.3 Reinforcement details of the specimen

图4 试验加载示意Fig.4 Diagram of test loading

图5 试验加载装置Fig.5 Test loading device

2.2 计算结果与试验结果对比

试验结果表明，试件在荷载作用下，经历了消压、屈服、峰值以及极限破坏四个阶段。最终破坏形态如图6a所示，发生接头受弯破坏。具体破坏形态为：拼缝面上部受压区混凝土压碎，中部预应力钢棒受拉屈服，破坏时拼缝面两侧的预制混凝土板处发生较大的相对转动，而预制混凝土板的其他部位没有出现裂缝。由有限元分析得到的接头破坏形态如图6b所示，在荷载作用下，拼缝下侧受拉张开，拼缝上侧混凝土局部受压破坏，受压损伤系数达到0.8908，可以看出，建立的有限元模型能较好地模拟拼缝接头的破坏模式。

图6 试件最终破坏形态Fig.6 Failure mode of the specimen

有限元分析得到的表征接头变形的弯矩-转角关系曲线如图7所示，并与试验结果进行了对比。

图7 有限元分析与试验结果对比Fig.7 Comparison of finite element analysis and test results

由图7可见，有限元分析结果与试验结果吻合较好，弯矩-转角关系曲线大致呈三折线，分别对应消压前接头闭合阶段，接头张开预应力筋接近屈服阶段以及压区混凝土逐渐压碎破坏阶段，钢筋屈服之后刚度明显下降。受弯承载力计算值为85.89kN·m，试验值为79.33kN·m，计算值与试验值相差7.6%。

3 拼缝界面压力的影响分析

3.1 有限元参数分析结果

通过改变预应力筋的配筋量，实现了横向接头的不同拼缝界面压力，并在此基础上考察了拼缝界面压力对接头受弯承载力和转动刚度的影响。拼缝界面压力取拼缝面有效预应力与截面面积的比值。接头转动刚度取预应力筋刚屈服时的割线刚度，即屈服弯矩与对应屈服转角的比值。有限元参数及主要计算结果见表1。

表1 有限元参数及主要计算结果Tab.1 Finite element parameters and main calculation results

图8 给出了横向接头在不同预应力筋直径（即不同拼缝界面压力）下的弯矩-转角曲线。

图8 弯矩-转角曲线Fig.8 Moment-rotation curve

由表1和图8可见：

（1）预应力筋配筋越大，拼缝界面压力越大，受弯承载力和转动刚度越大。

（2）试件SM-3与SM-2相比，预应力筋面积增加了83%，承载力增加了65%；试件SM-1与SM-2相比，预应力筋面积减小了72%，承载力减少了63%。预应力筋对接头的受弯承载力影响较大，这是因为接头的受弯能力主要取决于混凝土抗压和预应力筋抗拉。

（3）试件SM-3与SM-2相比，转动刚度增加了19%；试件SM-1与SM-2相比，转动刚度减少了51%，这是因为虽然试件的屈服转角和屈服弯矩均随预应力筋配筋量增大而增加，但屈服弯矩增加的幅度更大。

3.2 受弯承载力及转动刚度计算公式的拟合

根据上述分析，可见界面压力的变化对接头受弯承载力及转动刚度的影响显著，同时基于其变化趋势，可设定受弯承载力和转动刚度的拟合公式如下：

利用origin软件进行公式拟合，a1取0.084m3、a2取7.1m3／rad、b1取13kN·m、b2取5.7×103kN·m／rad；σ为界面压力（MPa）；M为接头受弯承载力（kN·m）；K为接头转动刚度（kN·m／rad）。

接头受弯承载力与拼缝界面压力、接头转动刚度与拼缝界面压力的拟合关系曲线如图9、图10所示。经计算，拟合公式的相关系数均大于0.91，拟合回归效果较好。

图9 受弯承载力-拼缝界面压力曲线Fig.9 Flexural bearing capacity-joint interface pressure curve

图10 转动刚度-拼缝界面压力曲线Fig.10 Rotational stiffness-joint interface pressure curve

4 结论

1.有限元模拟结果与试验结果吻合较好，承载力计算值与试验值基本一致，该模型可用于预制槽型拼装综合管廊接头受弯性能分析。

2.试验和有限元结果均表明，试件最终发生拼缝面受弯破坏，主要表现为拼缝面上部混凝土受压破坏，预应力筋受拉屈服，破坏时两个试件在拼缝面处发生较大的相对转动。

3.通过有限元参数分析，受弯承载力和转动刚度均随拼缝界面压力增加而增大。以预应力筋屈服点计算接头的割线转动刚度，3个有限元试件的转动刚度范围在（0.65～1.58）×104kN·m／rad之间，刚度变化较大。

4.采用线性拟合建立了受弯承载力与拼缝界面压力以及转动刚度与拼缝界面压力的关系曲线，拟合回归效果较好。