基于整體模型的預制拼裝綜合管廊節段接頭抗彎性能分析

張曉曦，丁思盼，夏樟華，葉世集，林上順

(1.福建省永富建設集團有限公司， 福建 福州 350002；2.福州大學 土木工程學院， 福建 福州 350116；3.福建工程學院 土木工程學院， 福建 福州 350118)

地下綜合管廊能夠有效避免路面反復填挖，影響交通出行與市民生活的情況，有效解決“馬路拉鏈”“空中蜘蛛網”“城市看?！盵1-3]的問題，近年來管廊采用了多種多樣的裝配技術，如分塊預制拼裝[4-5]、節段預制拼裝[6-8]、疊合式預制拼裝[9-14]等。與現澆綜合管廊相比，預制拼裝綜合管廊的主要問題為節段與節段間存在接縫，其接縫位置的變形情況顯得尤為重要，嚴重時則會導致地下水、地下土壤以及腐蝕物質進入廊體內部，影響管廊使用壽命。目前，陳小贊等[15-16]對綜合管廊接頭的力學特性與承載性質進行相關研究，對雙艙綜合管廊進行抗彎與抗剪特性的數值分析，分析預應力對其力學特性的影響。陳智強[17]、胡翔等[18]依托于上海世博會園區的地下綜合管廊工程，對預制綜合管廊的受力性能包括接頭模型的受力情況等。劉芳等[19]通過ABAQUS有限元軟件對含有拼裝接頭的預制節段與整體節段進行靜力試驗的模擬，并對拼裝節段提出結構上的優化建議。李榮華等[20]利用FLAC3D有限差分方法模擬土工布對填土沉降的防護以及土工格柵的構造因素對外部荷載作用下的管廊防護進行研究。為研究管廊節段接頭抗彎性能，本文以平潭某管廊工程為背景，建立與實際工程相符的預制綜合管廊整體節段模型，對預制拼裝綜合管廊節段接頭模型進行受力性能研究，通過綜合管廊接頭的撓度、接縫底部張開量、接頭處變形等數據進行分析。

1 有限元模型

1.1 工程概況

該綜合管廊工程采用單艙截面形式，為矩形截面，位于平潭綜合實驗區金井灣組團內的如意湖片區，路線圍繞如意湖水體布設，整體長度約為5.413 km。綜合管廊凈截面尺寸為寬3.2 m、高3.4 m。預制綜合管廊節段的整體尺寸為寬3.9 m、高4.1 m、長2.0 m。頂底板及腹板壁厚均為0.35 m。在管廊內側的四周處設有腋角，腋角尺寸為0.25 m×0.25 m，在腋角處設有圓波紋管，用于通過預應力鋼絞線，以便于預制節段間的連接，具體管廊整體尺寸如圖1所示。

該管廊工程采用預應力筋與承插式接頭相結合的方式作為接頭形式，既利用了承插式接頭的兩道密封防水措施,又借助縱向連接鋼筋,形成了工作面壓縮膠圈密封與縱向串接壓縮結合,能夠較好地滿足抗滲密封以及受力要求。采用這種接頭形式的管廊,應在其腋角位置預留縱向連接筋的孔道與錨固孔,管廊施工時穿入縱向連接筋并張拉錨固,約束鎖緊各管廊形成整體。

圖1 管廊尺寸圖(單位：cm)

1.2 有限元建模

1.2.1 管廊節段的建立

ABAQUS有限元軟件具有強大的前、后處理能力，可以通過拉伸、切削等方式對所建立的實體進行二次加工，對于管廊節段而言，首先通過拉伸創建一個長4 100 mm、寬2 000 mm、高3 900 mm的立方體，其次通過創建切削中的拉伸工具，繪制節段內側截面并進行切削。最后復制該模型，將管廊節段分為承口節段與插口節段，分別按照承插口尺寸及深度對模型進行切削與拉伸。至此，綜合管廊建立完成的模型以及加載示意圖如圖2所示。

圖2 管廊節段

1.2.2 MPC約束

由于該管廊工程采用無粘結預應力鋼絞線進行連接。故鋼絞線與混凝土間沒有粘結作用，不適合采用Embeded的方式將鋼絞線與混凝土進行約束，故采用MPC的方式進行約束，MPC(Multi-Point Constraints，MPC)即多點約束。由于預應力鋼絞線在腋角處進行錨固，故腋角區域的錨墊板與預應力鋼絞線之間屬于剛性連接。將預應力鋼絞線的端點設置為控制點，將腋角區域設置為剛性約束區域。

1.2.3 網格劃分

在整體管廊模型中由于腋角的存在，與上一章中的模型類似，若按照默認的網格劃分方式(見圖3(a))，模型中將會出現不規則的網格。必須對部件進行拆分，再設置對應的網格類型。首先對管廊的四個腋角處進行分割，管廊整體模型被分割為8個區域。其次將四個腋角區域所采用的網格單元形狀為楔形，使用掃掠網格劃分技術。其他區域采用六面體網格單元，使用結構化網格劃分技術(見圖3(b))。

1.2.4 接觸方式

該整體管廊模型采用承插式接頭，在接頭處的接觸面較多，若采用通用接觸，雖然在前期設定較為簡單方便，但是在計算過程中會產生較大的計算量。故采用面-面接觸對接頭處的各個表面進行設置，將接頭的接觸面限制在承插式接頭范圍內，法向設置硬接觸，切向采用摩爾-庫侖模型。模型裝配完成后，如圖4所示。

圖3 網格劃分

圖4 裝配完成圖

2 計算結果與分析

2.1 荷載-撓度曲線

通過有限元模擬結果所得的荷載撓度曲線(見圖5)可知，在豎向荷載為605 kN左右時，整體模型的跨中撓度為0.07 mm，整體模型開始下撓，可以先假定整體模型的消壓荷載為605 kN。在加載的初始階段，荷載撓度曲線的斜率較大，這表示撓度的增長速率較低。當豎向荷載達到1 491 kN時，跨中撓度為0.41 mm，該點為荷載撓度曲線的拐點，隨后試驗模型的跨中撓度增長速率有一定的提高。最后，從荷載撓度曲線中可以看出，當施加的豎向荷載為2 482 kN時，試驗模型達到屈服，此時跨中的最大撓度達到4.70 mm。

2.2 頂部與底部預應力筋與荷載的關系

在預應力張拉完成時，頂部與底部腋角位置的預應力筋應力值相等，都為1 067.5 MPa。在施加豎向荷載的過程中，當荷載為605 kN時，底部預應力筋的應力開始隨著荷載的增大而增大。當荷載為2 482 kN時模型達到屈服，可知底部預應力筋的應力值為1 860 MPa，而頂部的預應力筋并未達到屈服，其應力值為1 137 MPa，變化較小。通過圖6中兩條曲線的關系可以推測，當荷載為1 491 kN時底部和頂部預應力筋的應力同時出現拐點，底部預應力筋的應力隨著荷載的增大變化較大，頂部預應力筋的應力隨著荷載的增大變化較小。

圖5 荷載撓度曲線

圖6 頂部和底部預應力筋應力與荷載曲線

2.3 接頭變形

圖7表示的是當豎向荷載分別為600 kN、1 000 kN、1 300 kN、1 500 kN、1 700 kN、2 000 kN、2 100 kN、2 200 kN、2 300 kN、2 482 kN時，接縫側面從下至上各高度位置的變形量。從圖7中可知當荷載為600 kN時，接縫側面沒有發生明顯變形。但實際上接縫底部已經發生微小變形。隨著荷載的增大，接縫側面下半部分逐漸發生變形，上半部分混凝土受壓區域越來越少，當荷載達到1 500 kN時，接縫張開量較為明顯，僅在頂部呈擠壓狀態。

在豎向荷載達到1 500 kN之后，接縫開始發生變形，但接縫的張開量相對較小。隨著荷載的增大，接縫各位置變形量迅速增大。荷載在1 500 kN～1 700 kN時，接縫變形量迅速增大，隨后接縫側面不同高度位置的接縫變形量均勻增大，直至屈服。

圖7 接頭變形量

2.4 荷載-接縫張開量曲線

將兩節預制拼裝綜合管廊的接縫底部中點在沿管廊縱向上的位移之差定義為試驗模型的接縫張開量。圖8(a)為通過有限元模擬結果得到的接縫底部張開量與荷載的關系曲線。從該曲線關系中可知，當所施加的豎向荷載值在0 kN～605 kN之間時，接縫底部張開量為0 mm，此時試驗模型的承插式接頭保持緊密貼合。當施加的荷載為605 kN時，底部接縫出現張開量為0.017 mm，隨著荷載的增大，接縫底部張開量也隨之增大，當荷載達到1 491 kN時，接縫底部張開量為0.805 mm，此后，接縫底部的張開量迅速增大，且增長速率一致，當達到屈服時，所施加的豎向荷載值為2 480 kN，此時的張開量最大為18.596 mm。

為了更好的研究整體模型的接縫變形情況，現取接縫頂部中點，接縫側面某點、以及接縫底部中點的變形情況進行對比。從圖8(b)中可知，在施加豎向荷載的過程中，接縫的頂部并沒有發生明顯的變形。實際上，在豎向荷載的作用下，整體管廊的模型接縫頂部一直處于受壓狀態，所以并沒有發生張開。而在接縫側面某點處的變形與底部的接縫變形趨勢相同，但變形量小于接縫底部，這是因為底部接縫變形量最大。

2.5 結構優化措施

有限元分析結果表明：預制拼裝綜合管廊的接頭破壞以預應力筋達到屈服強度為標志；預制拼裝綜合管廊的接頭破壞以變形作為主要特征，且接頭變形對于管廊的正常運行也有較大影響。根據管廊接頭的特點，提出以下優化措施：

(1) 在選擇預制管廊的連接材料時，應選擇合適的材料，在建設初期，以螺栓連接為主，但其長度較短，且在施工中不能確定其連接緊固情況，現已較少使用。目前常見的是以預應力筋為主的連接方式，但在施工時存在張拉力不足與預應力損失的情況，在施工時應進行二次張拉，確保張拉力。同時，除在管廊腋角位置設置預應力，也可在四壁中部設置預應力，加強節段間的連接。

圖8 接縫張開量與荷載曲線

(2) 針對管廊接頭處的變形情況，可在管廊內壁四周增設連接裝置，以鋼板或是加勁板與螺栓進行固定。其次針對接頭構造進行優化，在已有基礎上設置凹凸型接頭構造，增加接頭的咬合力。針對土體情況較差的地區，可以采用在外部設置固定支撐的方式減小接頭的變形情況。

3 結 論

(1) 有限元分析結果表明：預制拼裝綜合管廊在承受對稱豎向力作用時的屈服撓度較小，跨中最大撓度為4.70 mm；其接縫處的變形情況表現為由下往上減小，在接縫頂部以受壓為主。通過對接縫各處的張開量進行分析可知，底部張開量最大為18.60 mm，而側面與頂部的張開量相對小一些。

(2) 預制拼裝綜合管廊接頭主要以預應力筋作為主要承受部件，且破壞的結果以大變形為主要特征，因此可通過對其連接材料與方式進行優化，并采用抑制接頭變形等措施，改善接頭的受力性能。