综合管廊变形缝设置抗剪锚筋的设计探讨*

祝年虎 赵远清 林雪斌

中国市政工程西南设计研究总院有限公司 成都610081

引言

综合管廊正常使用过程中，由于变形缝通常设置在地基变化较大处、综合管廊变舱处、交叉口处等，在地震波作用下，以及变形缝处荷载不均匀布置及地基不均匀沉降，从而引起管廊变形缝发生变位，管廊内管线产生纵向附加应力，从而影响管线的正常运行［1］。同时，从赵远清［2，3］等研究的综合管廊变形缝处抗剪锚筋单向加载试件（编号GLJ-1 ～GLJ-4）及往复加载（编号GLJ-5 ～GLJ-8）试验现象中，可以观察到管廊极限状态发生破坏时，抗剪锚筋数量设置不同，管廊破坏现象不尽相同。变形缝处抗剪锚筋布置较多时，最终破坏形态为混凝土劈裂与抗剪锚筋弯剪屈服同时发生；抗剪锚筋布置较少时，最终破坏形态为抗剪锚筋弯剪屈服。本文在上述试验基础上，结合试验现象及抗剪锚筋在实际工程中的应用，对变形缝处如何合理地设计抗剪锚筋进行了相关的探索。

1 锚筋数量确定

采用有限元软件Midas Gen 对抗剪锚筋内力进行计算，以锚筋间距0.5m 为例，在水平及竖向作用下，验算抗剪锚筋抗剪承载能力，从而确定锚筋直径。并结合文献［2］、［3］等试验以及为了方便计算，假定抗竖向变位的锚筋仅布置于侧壁，抗水平变位的锚筋仅布置于管廊顶板、底板。

1.1 抗水平变位的锚筋

选取单舱、双舱管廊标准段作为模拟对象，通过有限元软件Midas Gen 采用纵向地震反应位移法对管廊变形缝处锚筋受力进行计算分析。单舱、双舱管廊断面如图1 所示。

图1 单舱管廊锚筋布置（单位： mm）Fig.1 Layout of anchor bars of single and double cabin utility tunnel（unit：mm）

管廊覆土厚度3.0m，管廊主体结构采用C40防水混凝土，抗渗等级为P8。单舱、双舱管廊有限元模型的长度不宜小于土层变形波长［4］，每段管廊长度30m，选取5 段管廊，每段之间变形缝宽度为30mm。抗剪锚筋采用梁单元模拟，并释放梁端纵向约束，不能传递轴力。管廊有限元模型如图2 所示。

图2 管廊有限元模型Fig.2 Finite element model of utility tunnel

管廊变形缝处的锚筋采用Q345 直径40mm钢筋，锚筋间距取值0.5m，不同烈度及场地类别下，管廊参数输入如表1 所示。

表1 管廊反应位移法参数Tab.1 Parameters of the response displacement method of utility tunnel

单舱管廊锚筋间距0.5m纵向反应位移法抗剪锚筋受力计算结果如表2 所示。双舱管廊锚筋间距0.5m纵向反应位移法抗剪锚筋受力计算结果如表3所示。地基基床系数取值相同，相同地震烈度下（7 度0.1g），不同场地类别工况下，单舱、双舱管廊抗剪锚筋受力计算结果如表4所示。

表3 不同烈度不同场地类别下双舱管廊抗剪锚筋受力计算结果（单位：kN）Tab.3 Calculation results of shear anchor bars of double cabin utility tunnel under different intensity and site type（unit：kN）

单根锚筋抗剪承载力理论值为160kN，通过有限元软件计算，并分析表2 ～表4 中计算结果可知：

表2 不同烈度不同场地类别下单舱管廊抗剪锚筋受力计算结果（单位：kN）Tab.2 Calculation results of shear anchor bars of single cabin utility tunnel under different intensity and site type（unit：kN）

表4 相同烈度不同场地类别管廊抗剪锚筋受力计算结果（单位：kN）Tab.4 Calculation results of shear anchor bars of utility tunnel under the same intensity and different site type（unit：kN）

（1）单舱、双舱管廊抗剪锚筋相同场地类别下，地震烈度越高，抗剪锚筋受力越大。8 度区抗剪锚筋受力已超过抗剪锚筋的承载力。

（2）相同地震烈度，地基基床系数相同，场地越软，抗剪锚筋受力越大。

此外，若管廊参数取值不同，抗剪锚筋受力计算结果会有一定的差异。8 度区抗剪锚筋的受力已经很大，对于9 度区，抗剪锚筋的设计需做进一步的探讨或采用其他加强措施。

1.2 抗竖向变位的锚筋

竖向抗变位锚筋分布于管廊侧壁，依据林雪斌［5］等分析的不同工况：1）变形缝两侧地质条件发生变化；2）变形缝一侧地基沉陷后出现局部脱空情况；3）变形缝两侧纵向刚度突变，模型中变形缝两侧分别为单舱管廊及双舱管廊；4）变形缝两侧纵向刚度突变，模型中变形缝两侧分别为管廊标准段及交叉口；5）变形缝两侧上部覆土突变等，运用有限元软件Midas Gen 计算不同工况下抗剪锚筋的受力大小，调整抗剪锚筋直径及间距并验算各个工况下抗剪锚筋的受力。

2 锚筋间距确定

为了确定锚筋间距，取锚筋的间距为0.3m、0.5m、0.6m、1.0m分别在相同场地类别（Ⅱ类场地）、不同地震烈度工况下进行受力计算，单舱管廊单根抗剪锚筋受力计算结果如表5所示。

表5 相同场地类别不同烈度不同间距抗剪锚筋受力计算结果（单位：kN）Tab.5 Calculation results of shear anchor bars of utility tunnel under the same intensity，different site type and spacing（unit：kN）

分析表5 中计算结果，可以得到：相同场地类别，相同锚筋间距，地震烈度越高，抗剪锚筋受力越大；相同烈度下，锚筋间距越大，抗剪锚筋受力越大。由表5 可知，锚筋间距为1.0m时，各工况基本超过了锚筋承载力，故锚筋间距的设计考虑到施工及锚筋受力情况一般取值300mm ～800mm。

3 锚筋处混凝土抗冲切验算

在水平地震作用下，需进行管廊侧壁抗剪锚筋处混凝土抗冲切验算；在竖向荷载作用下，需进行管廊底板及顶板抗剪锚筋处混凝土抗冲切验算。

从文献［2］、［3］等试验中可以发现，管廊变形缝试验构件破坏时，锚固锚筋周围混凝土出现劈裂现象。为了避免管廊变形缝处毫无征兆地发生脆性破坏，故对锚筋处混凝土进行抗冲切验算。抗剪锚筋处混凝土，按照《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）（2015 版）6.5.1 条中公式Fl≤0.7βhftηumh0进行了抗冲切计算，单根钢筋处混凝土抗冲切计算和单侧抗剪锚筋处混凝土整体抗冲切计算结果与试验结果对比见表6。假定荷载均匀作用在每根锚筋上。构件GLJ-1 ～GLJ-3［2］、GLJ-5［3］锚筋2810 均匀布置在管廊四周壁板内，构件GLJ-7［3］锚筋2010 均匀布置在管廊四周壁板内。

表6 锚筋处混凝土抗冲切计算值与试验值对比Tab.6 Comparison between calculation value and test value of concrete of anchor bars punching shear

由表6 可知，单根锚筋处混凝土抗冲切计算值与单根锚筋承受荷载比值≥1.99，单侧锚筋处混凝土整体抗冲切计算值与单侧锚筋承受荷载比值≤1.16，故试件破坏时荷载与混凝土整体抗冲切承载力相近。根据文献［2］、［3］试验现象可知，构件GLJ-1、GLJ-2、GLJ-3 发生破坏时，锚筋周围的混凝土出现劈裂现象，如图3 所示，并结合冲切验算，分析出现混凝土劈裂现象主要是由抗剪锚筋处混凝土发生整体冲切所引起。从文献［2］、［3］等试验构件破坏现象，可以发现沿横向分布的上表面冲切裂缝距离缝边很近，达不到理论冲切的破坏模式。造成构件这种破坏的原因是抗剪锚筋剪应力主要集中在端部，混凝土实际抗冲切计算值小于理论计算值，建议抗剪锚筋处混凝土抗冲切计算时对其折减，建议折减系数0.8 ～0.9。实际工程中管廊变形缝处设置有橡胶止水带或者防水卷材，对该处混凝土引起进一步的削弱。故针对管廊变形缝处薄弱部位，设计时应复核抗剪锚筋处混凝土抗冲切承载力并加强其构造措施，如图4 所示，设置多道U型箍筋对橡胶止水带处混凝土进行加强。同时，抗剪锚筋的直径及间距可以通过抗剪锚筋处的混凝土抗冲切承载力反算，防止混凝土冲切破坏早于抗剪锚筋出现屈服。

图3 构件破坏形态Fig.3 Failure mode of components

图4 抗剪锚筋布置示意Fig.4 Diagram of shear anchor bars

4 缝边配筋加强

通过文献［2］、［3］试验现象可知，构件GJL1 ～GLJ8 混凝土初始裂缝均发生在管廊顶部中部，裂缝呈现为梁式横向裂缝。由于管廊变形缝处抗剪锚筋的设置，抗剪锚筋的作用会增大变形缝附近一定区域（500mm ～1000mm）处受力，同时橡胶止水带及防水卷材的设置削弱了该处的混凝土截面，设计时应予充分考虑。根据试验现象及设计经验，建议变形缝附近一定区域（500mm ～1000mm）范围内增加管廊结构配筋量，配筋量可以通过抗剪锚筋受力简化成集中力反作用于管廊进行计算。当无计算时建议取1.2 ～1.5倍正常计算配筋量。变形缝处管廊纵向钢筋建议适当加强。

5 锚筋锚固长度的确定

构件GLJ1 ～GLJ4 为单向加载，构件GLJ1、GLJ3、GLJ4 锚筋锚固长度为150mm，构件GLJ2锚筋锚固长度为100mm；构件GLJ5 ～GLJ8 为往复加载，构件GLJ5、GLJ7、GLJ8 锚筋锚固长度为150mm，构件GLJ6 锚筋锚固长度为100mm。根据文献［2］，各试验构件抗剪锚筋均未出现锚固失效，建议抗剪锚筋的锚固长度取15d。

6 结论

1. 通过有限元软件Midas Gen 采用纵向反应位移法的计算结果分析，地震烈度越高，抗剪锚筋受力越大。建议高烈度区域宜考虑水平地震作用的影响，管廊变形缝处宜设置抗剪锚筋。抗剪锚筋的数量及直径根据有限元软件内力计算确定。

2. 通过试件抗剪锚筋处混凝土抗冲切验算，试件破坏时荷载与混凝土整体抗冲切承载力相近，故建议设置抗剪锚筋时需进行抗冲切验算。

3. 建议变形缝附近一定区域（500mm ～1000mm）范围内增加管廊结构配筋量，当无计算时建议取1.2 ～1.5 倍正常计算配筋量。变形缝处管廊纵向钢筋建议适当加强。

4. 建议抗剪锚筋的锚固长度取15d。锚筋间距考虑到施工及锚筋受力一般取值300mm ～800mm，具体取值根据计算确定。