不同截面形式的预制管廊拼缝接头渗水状态下的受力分析

胡 标，王述红，赵 永，宫浩洋

(东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

1 引 言

城市综合管廊是将电力、通信、供水、燃气等各类管线集于一体的城市地下基础设施[1]，其有效地解决了城市管线放置混乱，空间利用不合理，以及管线检修复杂等一系列问题。采用预应力预制管廊可以有效缩短施工工期，相比传统的现浇式管廊，其更有利于保护环境。由预应力筋或弯曲螺栓拼接而成的预制预应力管廊比传统的现浇式管廊存在更多的拼缝接头，由此导致渗水问题。所以，对预应力预制管廊拼缝接头在渗水状态下的受力性能进行研究至关重要。

王鹏宇[2,3]采用试验与数值分析相结合的方法对预制管廊纵向接头的抗弯力学模型和刚度理论模型进行了研究；陈小赞[4]基于DKT板单元构建了预制拼装式双舱管廊接头的计算模型；马姣蓉[5]采用足尺试验方法对钢筋混凝土管片接头的弹性工况性能、极限承载力进行了研究。从已知的国内外文献来看，接头渗水对管廊受力性能的影响方面的研究尚属空白。本文参考实际工程并结合物理试验，使用Midas Gen软件分析不同截面形式的预制装配式管廊在拼缝接头渗水状态下的受力情况。矩形截面管廊、四拱形截面管廊如图1、图2所示。

图1 矩形截面管廊

图2 四拱形截面管廊

2 工程概况

根据《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838-2015)的5.3.1，综合管廊标准断面内部净高应根据容纳管线的种类、规格、数量、安装要求等综合确定，不宜小于2.4m。该规范的5.3.3指出，综合管廊内两侧设置管道或支架时，维护通道宽度不宜小于1.0m；单侧设置管道或支架时，检修通道净宽不宜小于0.9m，综合管廊配备维修车辆的宽度应不小于2.2m[6]。

本文以某双舱预制综合管廊工程和新型四拱形预制管廊为例，进行受力模拟分析。采用框架结构为该双舱综合管廊土建部分主体，顶部埋深4.7m，标准段内壁尺寸为宽5.4m，高2.4m，壁厚300mm，在交叉口及出线口进行局部放大[7]。四拱形预制管廊顶部埋深4.7m，标准段宽5.4m，高2.4m，壁厚300mm，侧壁交接处的四处圆弧为半径500mm，角度值为90°。每隔100m交叉分布投料口及通风口，目前容纳多种电力及通信电缆。地下水位2.1m，基底土层为可塑性粉质黏土，基床系数取20000kN/m3[8]，混凝土强度等级为C40。

3 接头渗水试验

本文研究拼缝接头渗水状态下的管节受力情况，故而引例管廊埋深位于地下水位以下，研究地下水在接头中对管廊侧壁受力的影响。在与地下水的短期接触过程中，管廊侧壁的混凝土强度不会受到影响，故而研究其力学影响。

3.1 试验概况

在刚性立方体塑料箱中进行缩小试验。以1∶10的比例制作预制单舱管廊，在拼缝接头的上下面嵌入片状压力感应器，再将微型管廊置于立方体箱中，填入与工程实例中相同地质条件的土，再控制立方体中的含水量以模拟地下水位。试验截面、拼缝接头截面如图3、图4所示。多次改变地下水位(但始终浸没拼缝接头)，重复进行试验。

图3 试验截面图

图4 拼缝接头截面图

3.2 试验数据的整理分析

接头渗水试验数据如表1所示。其中，h0为地下水位；h1为拼缝接头至地下水位距离；pw为接头同等深度的水压力；p为压力感应器的感应值。

表1 接头渗水试验值

假设pw和p在埋深0.3m至0.22m区间内符合一次函数特征。使用Matlab软件进行作图，得出拟合曲线表达式，公式拟合图如图5所示。

图5 公式拟合图

p=0.865pw+0.0027

(1)

误差分析：在改变地下水位时，对压力感应器产生了位置影响；土中沙粒因为水位改变而进入到拼缝中，对压力感应器产生了压力；系统误差和设备精确度误差。

试验结论：由试验可得，在本文试验条件下，pw和p之间存在一次函数关系。由拟合的函数关系式可知，在数据模拟试验中，渗透水力影响系数取0.865。

4 数值模拟分析

4.1 参数的选取

矩形截面双舱管廊选取的是横向接头连接的预制装配式管廊，使用软件为Midas Gen，分析方法为应力应变单元模拟法。本文考虑拼缝接头的影响，拼缝接头影响采用K-ζ法计算[9]，构件的截面内力分配按下列公式计算：

M=Kθ

(2)

Mj=(1-ζ)M，Nj=N

(3)

Mz=(1+ζ)M，Nz=N

(4)

式中，K为旋转弹簧常数，取40000kN·m/rad。本文模型采用横向错缝拼装，拼接接头弯矩影响系数ζ受多方面因素影响，需经试验测得，ζ取0.45。M为按照旋转弹簧模型计算得到的带纵、横向拼缝接头的预制拼装综合管廊截面内各构件的弯矩设计值，Mj为预制拼装综合管廊节段横向拼缝接头处弯矩设计值，Mz为预制拼装综合管廊节段整浇部位弯矩设计值，N为按照旋转弹簧模型计算得到的带纵、横向拼缝接头的预制拼装综合管廊截面内各构件的轴力设计值，Nj为预制拼装综合管廊节段横向拼缝接头处轴力设计值，Nz为预制拼装综合管廊节段整浇部位轴力设计值，θ为预制拼装综合管廊拼缝相对转角[6]。

考虑接头处渗水，在拼缝接头处假设均布水压力P。

P=0.865ρh

(5)

式中，0.865为渗透水力影响因数，由试验测得；ρ为地下水密度；h为拼缝接头的埋深。

表2和表3为模型参数和荷载选取。选择一种荷载组合(1.2恒荷载+1.1活荷载)进行运行。

表2 模型参数

表3 恒荷载与活荷载

4.2 建立模型

材料和截面：截面宽度为1m，高度为300mm，混凝土强度等级为C40。

建立断面模型：采用闭合框架法建立模型。矩形截面双舱管廊先建立底面梁单元，添加底面，再使用扩展功能将线单元扩展为面单元，建立侧面，预留50mm拼接缝。用结点连结法建立顶部辅助梁，同理向下扩展为上部侧面，最后在拼接缝处添加设置好的组合材料。四拱形截面预制管廊的模型建立与上述步骤相同。

设置边界条件：使结构网格化并分割底板单元为12份，每份为0.5m。选择荷载设置，选择面弹性支撑，输入参数，设置边界荷载条件。对于装配式管廊，在侧壁缝隙处选择弹性连接来考虑K的影响，然后释放梁端约束来考虑ζ影响[9]。

图6为矩形截面土压力荷载分布图，顶部土压力为65.65kN/m2，侧壁土压力选取为主动土压力，主动土压力系数为0.53。

图6 矩形截面土压力荷载图

图7为矩形截面水压力荷载分布图，顶部水压力为26kN/m2，侧壁为流体荷载分布。

图7 矩形截面水压力荷载图

图8为四拱形截面土压力荷载分布图，顶部土压力为65.65kN/m2，侧壁土压力选取为主动土压力，主动土压力系数为0.53。

图8 四拱形截面土压力荷载图

图9为四拱形截面水压力荷载分布图，顶部水压力为26kN/m2，侧壁为流体荷载分布。

图9 四拱形截面水压力荷载图

拼缝接头处的渗水水压力为35.465kN/m2。

4.3 结果分析

4.3.1 矩形截面预制管廊各部位受力分析

底板自重反力合力：540.00kN；土压力合力：-1103.85kN；水压力合力：-1086.00kN。

图10为矩形截面底面土压力反力图，由图可以看出，在侧壁0～0.5m区间内，土压力反力从-98.411 kN/m2渐变为128.720kN/m2；土压力在走道区间内呈均匀分布。由此可以得出，底板在侧壁处存在较大剪力，走道处存在较大弯矩，易发生斜向剪切破坏和抗弯破坏，可在侧壁边缘增加混凝土砌块和配置弯起钢筋。

图10 矩形截面底面土压力反力图

图11为矩形截面预制管廊顶板应力云图，可以看出，顶部边角处应力较大，最大为720.3 kN/m2，侧壁中部的应力较小，最小为391.6 kN/m2，顶板中部的应力在403.9 kN/m2至440.6 kN/m2之间分布。管节中部的应力较为均匀，管节接头处的应力变化较大，尤其是靠近侧壁部位，应另寻方法增强抗弯和抗剪能力。矩形截面预制管廊侧壁中部内力图如图12所示。

图11 矩形截面顶面应力云图

4.3.2 四拱形截面预制管廊各部位受力分析

底板自重反力合力：290.38kN；土压力合力：-1259.30kN；水压力合力：-844.50kN。

图13为四拱形截面预制管廊底面土压力反力图，可以看出，与矩形截面底部土压力反力的不同之处在于，底板和侧壁连接部分的反力值更小，更接近于0。可知，拱形有减小土压力反力的作用。

图13 四拱形截面底面土压力反力图

图14为顶部应力云图，在顶部的平面区域，应力分布均匀，但在拱形部位连接处出现了明显的数值变化。

(a)弯矩图

图14 四拱形截面顶面应力云图

图15为四拱形预制管廊侧壁的内力图。侧壁弯矩值最大为101.7kN·m，最小为3.4kN·m；侧壁剪力最大值为89.7kN，最小为-80.7kN；侧壁轴力最大为-63.5kN，最小为-150.9kN。弯矩和轴力均为凸性变化，但剪力值的变化则有三次转折。

(a)弯矩值 (b)轴力值 (c)剪力值图15 四拱形截面侧壁内力图

4.3.3 内力数据对比及分析

本文采用管节法进行数据模拟，采集模型中部的数据作为对比参考值。表4为模型整体单元受力分析的数据对比，数据选取对象为模型的全部有限单元。

表4 整体单元受力分析的数据对比

由以上图表可知，四拱形截面预制管廊的底板反力的最小值大于矩形截面预制管廊；在顶板部位，四拱形截面预制管廊的Sig-eff应力大于矩形截面预制管廊，Sig-min和Sig-max应力则小于矩形截面；四拱形截面的侧面弯矩和轴力最大值、最小值的绝对值大于矩形截面，剪力的最大值和最小值则小于矩形截面。

矩形截面预制管廊和四拱形截面预制管廊在受力性能上存在着较大差异，其主要原因在于四角处四分之一圆弧形拱的作用，该圆弧形拱增大了底面反力和顶板的Sig-eff应力，同时减小了侧壁平面部分的剪力，增大了侧壁平面部分的弯矩和轴力以及侧壁拱形处所受的弯矩。

从受力角度分析抗渗水性能，四拱形截面不易出现裂缝，地下水不易渗入，其抗渗水性能更好，受地下水影响更小。至于接头处的渗水，由于两者的拼缝接头规制相同，但四拱形截面预制管廊的侧壁轴力更大，能使拼缝接头处的橡胶圈更加紧密地贴合，增大了其抗渗水性能。

4.3.4 误差分析

本文举例的两种截面的主要区别在于四角处的不同，矩形截面角部是直角形式，四拱形截面角部则是四分之一圆弧，在荷载的施加方面存在部分差异，但均为合理施加，不影响结果的可参考性。

5 结 论

(1)本文进行了拼缝接头渗水的物理试验，求得了渗水力系数的近似解，拟合了侧壁水压力和渗水力的经验方程。结合数据模拟，对该状态下的预制管廊进行了系统化的受力分析和对比分析。

(2)四拱形截面可以将边角处大部分剪力转化为弯矩和轴力，更好地契合了钢筋混凝土抗压抗弯的性能。从结构稳定性的层面上来看，四拱形截面比传统意义上的矩形截面更好。

(3)从制造工艺上来看，四拱形截面预制管廊制造更加复杂，需根据实际要求在拱形处进行合理配筋。传统意义上的矩形截面预制管廊则制造起来相对简单经济，所以可根据实际需要合理选择。