管廊裝配整體式結構疊合節點受彎性能研究及應用

2020-12-16 09:09:46王振強魏奇科廖小輝武黎明

結構工程師 2020年5期

王振強魏奇科陳豪廖小輝武黎明

（1.中冶建工集團有限公司，重慶400084；2.重慶工商職業學院，重慶400052）

0 引言

裝配整體式管廊是指由預制混凝土管廊構件通過可靠的方式進行連接并與現場后澆混凝土或水泥基灌漿料形成整體的裝配式混凝土結構［1-2］。該結構的預制構件均為疊合板，預制體量小，單體重量小，現場拼接接縫通過后澆混凝土的填充從而保證了結構的整體性和良好的防水性能［3-4］。根據具體的底板結構的不同，又可分為底板疊合底板倒置疊合以及底板現澆三種形式，如圖1-圖3所示。

圖1 底板疊合Fig.1 Composite plate

圖2 底板倒置疊合Fig.2 Inversion of composite plate

圖3 底板現澆Fig.3 Cast-in-place plate

針對以上三種裝配整體式結構體系，遠大住工集團有限公司以底板疊合的形式形成了裝配整體式綜合管廊結構體系，宇輝集團有限公司以底板倒置預制、現場灌注施工的方式形成裝配整體式綜合管廊結構體系，中國建筑建集團有限公司以底板全現澆的形式形成裝配整體式綜合管廊結構體系［5-6］。

在以上三種結構體系中，結構的節點部位混凝土均是由預制和現澆兩部分構成，本文中所述的疊合節點是指在鋼筋混凝土結構體系中受力及傳力節點的混凝土由預制部分和現澆部分復合而成并整體受力的節點。前兩種結構體系在疊合節點處理方面是采用鋼筋鎖扣連接，而第三種體系則是采用鋼筋搭接或錨固連接［7］，本文在裝配整體式管廊結構體系中采用的是第三種底板現澆的結構體系，減少預制件體量與運輸量，在疊合節點處理方面采用鋼筋錨固連接，對于采用鋼筋錨固連接，錨固鋼筋的長度為多少才能滿足節點性能要求，疊合節點箍筋間距為多少方為合理均需要進一步通過試驗確定，疊合節點的力學性能不僅取決于節點構造的設計，也取決于現場節點拼裝的穩定性及后澆筑混凝土的密實度，因此裝配整體式管廊結構預制構件的支撐穩定性及墻板中空部分后澆筑混凝土的密實性也需進一步驗證。

1 疊合節點荷載試驗

1.1 構件設計及預制

管廊裝配整體式結構與傳統的現澆結構最大的區別在于結構節點部位的混凝土是兩次成型，預制構件完全成型并達到設計強度后，再裝運至現場組裝穩定后，進行二次混凝土澆筑，方形成疊合節點。由于施工工藝的不同導致管廊裝配整體式結構節點的鋼筋設計及錨固方式的不同。疊合節點的設計能否取代現澆節點的設計主要看兩類節點的受彎性能是否等效。

為完成裝配整體式結構疊合節點受彎性能與現澆節點的對比驗證，本試驗共設計3個1∶1比例的管廊L 型節點試件，試件長與高均為1.6 m，縱向厚度方向為1.0 m。號試件為現澆節點：墻體厚度為350 mm，底板厚度為400 mm，試件受力鋼筋采用HRB400 螺紋鋼，鋼筋直徑為16 mm，鋼筋間距100 mm，分布筋采用HRB400 螺紋鋼，鋼筋直徑為14 mm，鋼筋間距150 mm，節點區域縱向受力鋼筋的錨固長度為240 mm（15倍鋼筋直徑）；號試件為疊合節點：中空疊合墻板預制厚度分別為80 mm，中空部分凈距為190 mm，兩塊預制墻板之間采用兩道平面桁架連接以保證雙面疊合墻體的穩定，桁架間距350 mm，受力鋼筋設計與號試件相同；號試件為加強型疊合節點，尺寸設計與號節點保持一致，節點區域箍筋間距由150 mm加密為100 mm，縱向鋼筋的錨固長度由240 mm 改為320 mm，節點試件設計如圖4、圖5所示。

試件混凝土采用普通混凝土，在制作試件的過程中，澆筑節點試件混凝土時，每盤隨機抽取制作一組150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方體試塊，每個節點試件制作混凝土試塊9 個，分為3組，試件與試塊均在室內同條件下自然養護。抗壓強度測量方法按《普通混凝土力學性能試驗方法》（GB 50081—2016）的要求進行，依據第6.0.4條對混凝土抗壓強度試驗中試塊加荷速度的要求，本文試驗的混凝土試塊強度等級為C40，加荷速度控制在每秒0.6 MPa，混凝土試塊實測抗壓強度的平均值作為其強度代表值，測得混凝土的抗壓強度如表1所示。

圖4 現澆節點斷面設計圖（單位：mm）Fig.4 Design of cast-in-place node

圖5 疊合節點斷面設計圖（單位：mm）Fig.5 Design of composite structure

表1 混凝土強度實測值Table 1 The concrete measured values

試驗所用鋼筋強度由標準拉伸試驗確定。標準試件從同批鋼材上隨機抽取，每組3 根，然后按照國家標準《金屬材料室溫拉伸試驗方法》（GB/T 228—2002）的有關規定進行拉伸試驗，測得鋼筋的屈服強度、極限強度如表2 所示。構件制作參數如表3所示。

表2 鋼筋材料性能實測值Table 2 The steel bar measured values

1.2 構件加載及受力分析

試驗荷載的加載裝置主要是由1 000 kN液壓伺服器、錨桿、萬向鉸、固定梁和分配梁等組成。在試驗過程中以位移為控制基準進行逐級加載并設計荷載的1.5倍為終止條件。依據《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010），按某綜合管廊工程標準工況組合進行計算，考慮墻板側面土壓力、靜水壓力、自重及地面堆載，通過等效換算求得試驗構件墻板頂部所施加最大水平推力為338.8 kN，最大計算彎矩406.67 kN·m，節點水平截面剪力189.72 kN，正常使用極限狀態最大位移為56 mm。在試驗加載過程中，取懸臂端初始位移Δ0為2 mm以消除試驗誤差影響，以5 mm位移為單位逐級控制加載（最大位移量的1/10）。荷載的施加方式采用首先水平推力正向分級加載至管廊施圖設計荷載的1.5 倍（508 kN），并記錄數據及裂縫擴展情況，然后再逐級卸載并反向逐級加載至設計荷載，試驗裝置如圖6 所示。位移量測包括力作用點（懸臂端）的水平位移和疊合墻板（或現澆墻板）接縫處相對位移［8］，位移測量布置圖如圖7所示。

分別對3 個原型試件進行正向逐級荷載施加，以位移變形控制為主，以管廊在施工方案中設計計算的上覆荷載做為校核，在變形允許的范圍內以到達設計荷載的1.5倍為終止條件，在試驗數據記錄過程時，重點記錄構件節點在達到設計荷載及1.5倍設計荷載時所對應的抗彎承載力，試驗節點數據記錄如表2 所示，通過表4 數據分析可知，②號疊合節點構件的抗彎性能較①號節點略有減弱，在通過③號節點加強構造后構件的抗彎性能優于①號現澆節點。

表3 試驗構件具體參數Table 3 Component parameters of experiments mm

圖6 試驗加載裝置（單位：mm）Fig.6 The loading devices of experiment（Unit：mm）

圖7 位移計布置示意圖Fig.7 The schematic diagram of displacement-meter

表4 節點試件抗彎承載力Table 4 The flexural capacitys of specimens

在試驗過程中，對于①號現澆節點，當懸臂端位移加載到7 mm 時，墻板開始出現水平裂縫；當位移增至22 mm 時節點域出現水平裂縫，墻板面出現豎向裂縫并向上延伸，當位移達37 mm 時節點底部混凝土剝落；對于②號疊合節點，當懸臂端位移加載到7 mm 時，墻板開始出現水平裂縫；當位移增至17 mm 時節點域出現水平裂縫，墻板面出現豎向裂縫并向上延伸，當位移達35 mm 時節點底部混凝土剝落；對于③號疊合節點，當懸臂端位移加載到7 mm 時，墻板開始出現水平裂縫；當位移增至27 mm 時節點域出現水平裂縫，墻板面出現豎向裂縫并向上延伸，當位移達42 mm 時節點底部混凝土剝落。①號現澆節點、②號疊合節點、③號疊合節點（加強型）在達到1.5倍設計荷載下的變形及裂縫擴展情況如圖8所示。

在對3 個試驗構件水平正向施加推力至設計荷載的1.5 倍，得出構件的變形及裂縫發展情況后，再逐級卸載并反向加載至設計荷載，從而取得疊合節點與現澆節點，加強型疊合節點與現澆節點的彎矩-位移對比曲線，如圖9 所示，通過曲線對比可以進一步證明，在對疊合節點的錨固鋼筋加長至20 倍鋼筋直徑及加密箍筋后，疊合節點的抵抗正負彎矩的性能略優于現澆節點。

2 疊合墻板支撐架穩定性分析

圖8 構件節點在1.5倍設計荷載時的變形情況Fig.8 The deformation at 1.5 times load

圖9 構件節點彎矩-位移曲線對比Fig.9 Moment-displacement curve of nodes

通過以上試驗分析可知，裝配整體式管廊的疊合節點通過加強設計后可以滿足設計荷載要求，進一步需要確保中空疊合墻板在現場施工過程中的穩定性及垂直度方能保證后澆混凝土成型后疊合節點的力學性能。而中空預制墻板在現場安裝時墻板之間需要通過支撐架進行連接而形成自穩結構，如圖10 所示，這種自支撐結構的穩定性是確保雙面疊合墻施工穩定的前提。

圖10.預制疊合墻板間支撐架連接Fig.10 The connection between the walls

通過數值模擬取墻體縱向長度為2 m，臨時支撐縱向間距為1 m，模擬3艙室管廊之間的支架連接，每片墻與地面的連接約束及墻體與支撐之間的連接約束均為鉸接，模型荷載施加同時考慮自重荷載及施工荷載［9-11］，并按結構設計施加一定的風荷載如圖11 所示，模擬可知：自支撐結構極限荷載遠大于施工荷載，滿足現場施工要求。

圖11.支撐架穩定性數值模擬荷載Fig.11 Numerical simulation of stability

3 裝配整體式管廊結構施工應用

通過以上研究在確定裝配整體式管廊結構疊合節點可靠和自支撐結構穩定的前提下，以云南普洱某地下綜合管廊項目為依托進行工程示范應用，該工程設計長度1 115 m，為單艙室結構，橫斷面高度為3.3 m，寬度為3.1 m，其中900 m 長的標準段均采用裝配整體式管廊結構，施工現場臨時預制廠占地面積8 310 m2，現場構件工作主要在雨季進行，雨季結束后再進行基坑開挖和主體結構吊裝［12-13］。

裝配整體式管廊復合結構施工的關鍵是確保疊合節點的錨固性能，主要從三個方面進行控制：一是墻板架立時的穩定性控制，確保定位準確，縫隙誤差在允許范圍內，采用墻板自支撐結構且邊支撐邊校正，過程控制如圖12 所示；二是疊合節點的錨固鋼筋長度不小于20 倍鋼筋直徑，且箍筋間距不宜大于15 cm。云南某項目中管廊底板φ18鋼筋錨固長度為45 cm，疊合節點箍筋間距為10 cm，并在疊合節點部位穿入縱向通常加強筋，確保結構整體的強度和剛度，疊合節點構造措施如圖13-圖15所示；三是中空墻板后澆混凝土的密實度控制，采用自密實混凝土同時輔以振動棒振搗。